목표
자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기
학습할 것
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JVM이란 무엇인가
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컴파일 하는 방법
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실행하는 방법
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바이트코드란 무엇인가
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JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
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JVM 구성 요소
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JDK와 JRE의 차이
Git URL
1. JVM이란 무엇인가
•
Java Virtual Machine 즉, 자바를 실행하기 위한 가상 기계
가상기계: 소프트웨어로 구현된 하드웨어를 뜻하는 넓은 의미의 용어
자바 가상 머신으로 자바 바이트코드(.class 파일)를 OS에 특화된 코드로 변환하여 실행한다.
어째서 변환하는가일반 애플리케이션의 코드는 OS만 거치고 하드웨어로 전달되는데, Java 애플리케이션은 JVM을 한 번 더 거칠뿐 아니라 하드웨어에 맞게 완전히 컴파일 된 상태가 아니라 실행 시에 해석(interpret)되기 때문에 속도가 느리다는 단점이 있다.
하지만, 요즘에는 바이트코드(컴파일된 자바코드)를 하드웨어의 기계어로 바로 변환해주는 JIT 컴파일러와 향상된 최적화 기술이 적용되어 속도의 격차를 많이 줄였다.
또한, JVM이 없을 경우 애플리케이션은 OS와 바로 맞붙어 있기 때문에 OS에 종속적이게 된다.
그래서 다른 OS에 실행시키기 위해서는 애플리케이션을 그 OS에 맞게 변경해야 한다. 하지만 이처럼 JVM을 사용하는 Java 애플리케이션은 JVM하고만 상호작용을 하기 때문에 OS가 달라지더라도 프로그램의 변경 없이 실행이 가능하다.
특징
1.
스택 기반의 가상 머신: 인텔x86 아키텍처나 ARM 아키텍처와 같은 하드웨어가 레지스터 기반으로 동작하는데 비해 JVM은 스택 기반으로 동작한다.
2.
심볼릭 레퍼런스: 기본 자료형(primitive data type)을 제외한 모든 타입(클래스와 인터페이스)을 명시적인 메모리 주소 기반의 레퍼런스가 아니라 심볼릭 레퍼런스를 통해 참조한다.
심볼릭 레퍼런스: 참고하는 클래스의 특정 메모리 주소를 참조 관계로 구성하지 않고 이름만 가지고 있는 것.
3.
가비지 컬렉션(garbage collection): 클래스 인스턴스는 사용자 코드에 의해 명시적으로 생성되고 가비지 컬렉션에 의해 자동으로 파괴된다.
4.
기본 자료형을 명확하게 정의하여 플랫폼 독립성 보장: C/C++등의 전통적인 언어는 플랫폼에 따라 int형의 크기가 변하지만 JVM은 기본 자료형을 명확하게 정의하여 호환성을 유지하고 플랫폼 독립성을 보장한다.
5.
네트워크 바이트 오더(network byte order): 자바 클래스 파일은 네트워크 바이트 오더를 사용한다. 인텔 x86 아키텍처가 사용하는 리틀 엔디안이나, RISC계열 아키텍처가 주로 사용하는 빅 엔디안 사이에서 플랫폼 독립성을 유지하려면 고정된 바이트 오더를 유지해야 하기에 네트워크 전송 시에 사용하는 바이트 오더인 네트워크 바이트 오더를 사용한다. 네트워크 바이트 오더는 빅 엔디안이다.
바이트 오더: 시스템이 어떠한 데이터를 표현하는 방법을 말한다.
빅엔디안: 상위 바이트의 값이 메모리상에 먼저 표시되는 방법
리틀엔디안: 하위 바이트의 값이 메모리상에 먼저 표시되는 방법
2. 컴파일 하는 방법
플랫폼으로부터 독립적인 언어인 Java는 바로 컴파일을 할 수는 없다.대신, 2단계를 실행해서 할 수 있는데
1.
OS 에서 독립적인 컴파일러를 통해서
2.
모든 운영체제에 맞게 만들어진 JVM으로 컴파일 할 수 있다.
JVM 컴파일 과정
*.java 파일이 컴파일러를 통해 전달 된 다음 소스코드를 Bytecode로 인코딩한다.
소스파일에 포함 된 각 클래스의 내용은 별도의 .class 파일에 저장된다. 소스코드를 바이트 코드로 변환하는 동안 컴파일러는 다음 단계를 따른다.
•
Parse: *.java 소스파일을 읽은 뒤 결과 토큰을 AST(Abastract Syntax Tree) 노드에 매핑한다.
•
Enter: 정의된 심볼들을 심볼테이블(Symbol table) 에 저장한다.
•
Process annotations: 요청된 경우 지정된 컴파일 위치에서 찾은 애너테이션을 처리합니다.
•
Attribute: 구문 트리에 속성을 부여하며, 이름 확인, 유형 검사 및 상수 정의가 포함된다.
•
Flow: 이전 단계의 트리에 대한 데이터 흐름을 분석합니다. 여기에 할당 및 도달 가능성에 대한 검사도 포함됩니다.
•
Desugar: AST를 다시 작성하고 몇몇 syntactic sugar 들을 번역합니다.
•
Generate: *.class 파일을 생성합니다.
Terminal에서 컴파일
1.
작성한 코드가 있는 위치로 이동해 javac 파일명.java 명령어를 작성한다.
2.
.class파일 생성 확인
심볼테이블(Symbol table): key/value 쌍 추상화 테이블
3. 실행하는 방법
Terminal에서 컴파일 된 .class 파일 실행해보기
1.
이전 컴파일 과정에서 생성한 .class 파일을 java 명령어(java 파일명)로 실행시킨다.
4. 바이트코드란 무엇인가
특정 하드웨어가 아닌 가상 컴퓨터(Virtual Machine)에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법으로 하드웨어가 아닌 소프트웨어에 의해 처리되기에 기계어보다 추상적이다.
자바 바이트코드(Java bytecode)
JVM이 실행하는 명령어의 형태로 각각의 바이트코드는 1바이트로 구성되지만 몇 개의 파라미터가 사용되는 경우가 있어 총 몇 바이트로 구성되는 경우가 있다.
개발자가 자바 바이트 코드를 꼭 인지하거나 이해할 필요는 없다.
자바코드를 바이트코드로 변환
public class Hello {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(i);
}
}
}
Java
복사
위 자바 코드를 자바 컴파일러를 통해 아래와 같은 바이트코드로 번역한다.
5. JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
자바 바이트 코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것으로 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 JVM내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경하는데 이때 인터프리터, JIT 컴파일러를 사용한다.
JIT 컴파일러란
:JIT(Just-In-Time)컴파일러는 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입되었다. 인터프리터 방식으로 실행하다 적절한 시점에 바이트코드 전체를 네이티브 코드로 바꾼다. 그 다음부터 인터프리터는 네이티브 코드로 컴파일된 코드를 바로 사용한다. 네이티브 코드를 실행하는 것이 하나씩 인터프리팅 하는 것보다 빠르고, 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행된다.
JIT 컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 하나씩 인터프리팅하는 것보다 훨씬 오래걸리기에 만약, 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일 하지 않고 인터프리팅하는게 유리하다. 따라서 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부에서 해당 메소드의 수행빈도를 확인 후 일정 정도를 넘을 때 컴파일을 수행한다.
자바 컴파일러와 JIT 컴파일러
JIT 컴파일러 동작 형태
JIT 컴파일러는 바이트코드를 우선 중간 단계의 표현인 IR(Intermediate Representation)로 변환하여 최적화를 수행하고 그 다음 네이티브 코드를 생성한다.
인터프리터: 바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다.
Intermediate Representation: 소스 코드를 표현하기 위해 컴파일러 또는 가상 시스템에서 내부적으로 사용하는 데이터 구조 또는 코드로 최적화와 번역 등 추가처리를 위해 도움이 되도록 설계되었다.
6. JVM 구성 요소
클래스 로더(Class Loader)가 컴파일된 자바 바이트 코드를 메모리영역에 로드하고, 실행 엔진(Execution Engine)이 자바 바이트코드를 실행한다.
클래스 로더 시스템
자바는 런타임에 클래스를 처음으로 참조할 때 해당 클래스를 로드하고 링크하는 특징이 있다.
이 동적 로드를 담당하는 부분이 JVM의 클래스 로더이다.
클래스 로더의 특징은 다음과 같다.
•
계층 구조: 클래스 로더끼리 부모-자식 관계를 이뤄 계층 구조로 생성된다. 여기서 최상위 클래스 로더는 부트스트랩 클래스 로더(Bootstrap Class Loader)이다.
•
위임 모델: 계층 구조를 바탕으로 클래스 로더끼리 로드를 위임하는 구조로 동작한다. 클래스를 로드할 때 먼저 상위 클래스 로더를 확인하여 상위 클래스 로더에 있다면 해당 클래스를 사용하고 없다면 로드를 요청받은 클래스로더가 클래스를 로드한다.
클래스 로더 위임 모델
•
가시성(visiblility)제한: 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더를 찾을 수 있지만 상위 클래스 로더는 하위 클래스로더의 클래스를 찾을 수 없다.
•
언로드 불가: 클래스 로더는 클래스를 로드할 수는 있지만 언로드할 수는 없다. 언로드 대신, 현재 클래스 로더를 새로 삭제하고 아예 새로운 클래스 로더를 생성하는 방법을 사용할 수 있다.
클래스로더 위임 모델 1.
Bootstrap Class Loader
: JAVA_HOME\lib 에 있는 코어 자바 API를 제공한다. 최상위 우선순위를 가진 클래스 로더
2.
Extension Class Loader
:JAVA_HOME\lib\ext 폴더 또는 java.ext.dirs 시스템 변수에 해당하는 위치에 있는 클래스를 읽는다.
3.
Application Class Loader
:애플리케이션 클래스 패스( 애플리케이션 실행할 때 주는 -classpath옵션 또는 java.class.path 환경 변수에 값에 해당하는 위치)에서 클래스를 읽는다
4.
User-Defined Class Loader
: 애플리케이션 사용자가 직접 코드 상에서 생성해서 사용하는 클래스 로더
컴파일러에 의해 생성 된 클래스 파일은 시스템 또는 OS와 독립적이기에 모든 시스템에서 실행이 가능합니다. 실행을 위해 기본 클래스 파일(main 메소드를 포함하는 클래스)이 JVM으로 전달된 다음 최종 코드가 실행되기 전 주요 3가지의 단계를 거칩니다.
•
로딩
◦
클래스 로더가 .class 파일을 읽고 그 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 만들어 메소드 영역에 저장
◦
이 때 메소드 영역에 저장하는 데이터는 다음과 같다.
▪
FQCN(Fully Quallified Class Name)
▪
클래스 | 인터페이스 | 이넘(Enum)
▪
메소드와 변수
◦
로딩이 끝나면 해당 클래스 타입의 Class 객체를 생성하여 힙(heap)영역에 저장
•
링크
◦
Verify, Prepare, Resolve(Option) 세 단계로 나뉜다.
◦
검증(Verify): .class 파일 형식이 유효한지 체크한다.
◦
준비(Preparation): 클래스 변수(static 변수)와 기본값이 필요한 메모리 준비
◦
Resolve: 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메모리 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체한다.
•
초기화
◦
static 변수의 값을 할당한다(static block이 있다면 이 때 실행된다.)
메모리
JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역.
•
스택 영역 : 지역 변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값등이 생성되는 영역으로 클래스 수준의 정보를 저장하고 공유자원이다.
우측과 같은 코드를 작성했다면, a라는 메모리 영역을 잡고 해당 영역에 10을 할당한다. 즉, 스택에 a라는 이름의 값이 10인 메모리 공간을 만든다.
int a = 10;
Java
복사
•
PC Register : 쓰레드가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 현재 쓰레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역이다. 이것을 이용해 쓰레드를 돌아가며 수행할 수 있게 한다.
•
네이티브 메소드 스택: 자바 외 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 메모리영역으로 보통 C/C++등의 코드를 수행하기 위한 스택이다.(JNI)
•
힙(heap): new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역이다. 메소드 영역에 로드된 클래스만 생성이 가능하고 Garbage Collector가 참조되지 않는 메모리를 확인/제거하는 영역이다.
위에서 설명했듯이 클래스 수준의 정보는 스택에 저장되지만 객체의 인스턴스는 힙영역에 생성된다. 그리고 스택영역에는 힙영역의 주소값을 저장한다.
•
메소드 영역: 모든 스레드가 공유하는 영역으로 JVM이 시작될 때 생성된다. 저장하는 내용은 JVM이 읽어들인
◦
각각의 클래스
◦
인터페이스에 대한 런타임 상수 풀
◦
필드와 메서드 정보
◦
static 변수
◦
메서드의 바이트코드
등을 저장한다.
실행 엔진(Execution Engine)
클래스 로더에 의해 메모리에 적재된 클래스(Bytecodes)들을 기계어로 변경해 명령어 단위로 실행하는 역할을 한다.
명령어를 하나 하나 실행하는 방식은 다음과 같이 두 가지가 있다.
1.
인터프리터(Interpreter)
2.
JIT(Just-In-Time) 컴파일러
그리고 더 이상 참조되지 않는 객체를 모아서 정리하는 GC(Garbage Collector)가 있다. GC는 상황에 맞는 적절한 GC를 사용한다.
JNI(Java Native Interface) 네이티브 메소드 인터페이스 & 라이브러리
•
Java 언어 자체로 해결이 안되는 경우, 대처 할 수 있는 방법 중 하나.
◦
Ex: Database 조회의 속도 성능 향상을 위해서 C/C++ 라이브러리 사용이 필요한 경우
•
자바 애플리케이션에서 C, C++, 어셈블리로 작성된 함수를 사용할 수 있는 방법을 제시한다.
7. JDK와 JRE의 차이
JRE(Java Runtime Enviroment): JVM + 라이브러리
•
자바 애플리케이션을 실행할 수 있도록 구성된 배포판.
•
JVM과 핵심 라이브러리 및 자바 런타임 환경에서 사용하는 프로퍼티 세팅이나 리소스 파일을 가지고 있다.
•
개발 관련 도구는 포함하지 않는다.(JDK에서 제공)
참고: JDK 11 이후(Java Module 추가)로는 Jlink가 추가되어 JRE가 따로 배포되지 않는다.
JDK(Java Development Kit): JRE + 개발 툴
•
JRE + 개발에 필요한 툴
•
소스 코드를 작성할 때 사용하는 자바 언어는 플랫폼에 독립적
•
오라클은 자바 11부터는 JDK만 제공하며 JRE를 따로 제공하지 않는다.
•
Write Once Run Anywhere
8. HotSpot JVM
Hot 한 Spot을 찾아 그 부분에서 JIT Compiler를 사용하는 JVM
내부적으로 프로파일링을 통해 핫스팟을 찾아 해당 부분에 대한 네이티브를 생성하는데, 네이티브 코드를 만드는 방법으로 Client와 Server 두 방법이 존재한다. 이는 Java SE안에 포함되어있어 자바 시작시 모드를 선택할 수 있다.
Client
스타트업 시간과 메모리공간 최적화 중점 모드
Client 모드에서 동작하는 컴파일러는 주로 프로그램의 시작 시간을 최소하는데 집중한다. Client 모드에서는 바이트코드로부터 최대한 많은 정보를 뽑아 실제 동작하는 코드 블럭에 대한 최적화에 집중하며 전체적인 최적화는 관심없다.
1.
바이트 코드를 해석한 뒤 최적화를 쉽게 하기 위해 HIR이라는 정적 바이트 코드 표현을 만든다.
2.
HIR로부터 플랫폼에 종속적인 중간표현식(LIR)을 만든다.
3.
LIR을 사용해 기계어를 생성한다.
Server
다수의 request를 빠르게 처리하는데 중점을 둔 모드
Server모드에서 JIT은 부분적인 코드 실행보다는 전체적인 성능 최적화에 관점을 둔다.
1.
일반적인 컴파일러 최적화 기술들을 이용해 코드들을 최적화 한다.
→ 죽은 코드 삭제(Dead Code Elimination)
→ Loop 변수 끌어올리기(Loop invariants hoisting)
→ 공통 부분식 제거(Common Subexpression Elimination)
→ 상수 지연(Constant propagation)
→ 전역 코드 이동(Global Code motion)
...
2.
자바에 최적화된 최적화를 진행한다.
→ Null Check 삭제
→ 배열의 Range Check 삭제
→ 예외처리 경로 최적화
대단위 RICS 레지스터들을 최대한 활용하기 위한, Graph 연산을 통한 register 할당
참조
1.
자바의 정석(기본편): JVM(Java Virtual Machine)
2.
Naver - JVM internal : https://d2.naver.com/helloworld/1230
3.
GeeksforGeeks : https://www.geeksforgeeks.org/compilation-execution-java-program
4.
인프런 The Java - 코드를 조작하는 다양한 방법(저자 백기선) : https://www.inflearn.com/course/the-java-code-manipulation
5.
위키백과 - 바이트코드: https://ko.wikipedia.org/wiki/바이트코드
6.
TechNote - IR(Intermediate Representation): http://www.lazenca.net/pages/viewpage.action?pageId=6324673
7.
기본기를 쌓는 정아마추어 코딩블로그(JVM 구조와 자바 런타임 메모리 구조) : https://jeong-pro.tistory.com/148
8.
어쩌다 블로그 - Java Garbage Collection 요약: https://bkim.tistory.com/16
9.
