JVM 실행 과정/구성 요소

JVM(Java Virtual Machine)은  자바 바이트 코드(. class 파일)를 실행할 수 있는 가상컴퓨터이다.

 

자바의 핵심 철학인 '한 번 작성하면 어디서든 실행된다'를 실현할 수 있는 JVM은 자바 애플리케이션을 운영체제와 하드웨어로부터 독립적으로 실행할 수 있게 해 주며 메모리 관리, GC, 스레드 관리 등 자바 프로그램의 실행환경을 제공한다. 

 

그럼 JVM의 전체적인 구성을 그림으로 먼저 보고 

차근 차근 알아보는 시간을 가져보자

 

 

1. JVM 동작 방식

JVM 동작 방식을 간단히 요약하자면 아래와 같이 요약할 수 있다.

• 자바 컴파일러가(javac) 자바 소스 코드를 바이트 코드로 컴파일합니다. 
• JVM 속으로 클래스 파일을 동적으로 로드 후 링크를 통해 메모리 영역에 배치 한다. 
• Runtime Data Area에 로딩된 코드는 실행 엔진을 통해 해석한다. 이 과정에서 GC와 스레드 동기화가 이루어진다.

사실 이때까지만해도 어렵긴 해도 의외로 간단하네 할 수 있겠지만.. 상세히 들어갈 수 록 복잡해지는 느낌을 받을 것이다. 

그래도 천천히 내용을 따라가다보면  

한낱 문과인 나도 이해 했으니 당신들은 더 쉽게 이해할 수 있을 거다...

 

그럼 본격적으로 JVM에 대해 더욱 상세히 알아보자 

 

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2. 정적 컴파일 (Static compilation)

 

우선 소스 코드로 되어있는. java 파일을 컴파일러를 통해 바이트 코드로 변환 후. class 파일로 저장하는 과정이 필요하다. 

이때.'javac' 컴파일러가 java파일의 소스 코드를 한 번에 읽어 바이트 코드로 변환하는데 이 방식을 정적 컴파일(static compilation)이라고 한다. 

 

이렇게 컴파일된 바이트 코드는 JVM에 의해 실행되게 된다. 

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3.Class Loader (클래스 로더)

 

JVM의 클래스 로더에 대해 쉽게 설명하자면

프로그램이 실행 중에 필요한 클래스를 찾아서 메모리에 불러오고(동적 로드), 프로그램이 그 클래스를 사용할 수 있도록 연결하고 준비하는 역할을 한다(링크를 통한 배치).

 

굳이 굳이 현실 세계와 비유하자면 

도서관 사서 = jvm 

도서관의 모든 책들 =class로 가정할 때 

내가 사서에게 특정 책이 필요하다고 이야기하고(프로그램 실행 중 필요한 클래스)

사서가 그 책을 찾아와 나에게 건네어준 후(동적 로드)

책의 내용을 이해할 수 있도록 필요한 부분에 책갈피를 끼워 (링크를 통한 배치) 도와주는 과정으로 설명할 수 있을 것 같다.

 

클래스 파일의 로딩 순서는 3단계로 구성된다. 

Loding -> Linking -> Initializing

 

• Loding : 자바 클래스 파일을 메모리에 로드한다
• Linking : 클래스 파일을 사용하기 위한 검증 단계

Verification (검증)	클래스 파일이 손상되거나 해킹된 것은 아닌지 코드가 JVM에서 안전하게 실행될 수 있는지를 검토
Preparation (준비)	프로그램에서 사용된 정적 변수에 필요한 메모리를 할당하고 초기값을 기본값으로 설정
Preparation (해결)	프로그램에서 사용될 변수, 메서드, 클래스 등의 이름을 실제로 메모리 어디에 있는지 찾아 연결 (ex :  네비게이션에 '친구집' 입력하지 않고 친구 집의 실제 주소를 입력하는 것)

 이 단계를 통해 JVM은 클래스를 안전하고 효율적으로 실행할 수 있도록 준비한다.

• Initializing(초기화) :  클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다. 

이 문장만 보면 Preparation에서 초기값을 설정하는 거 아니었어??라고 헷갈릴 것이다! 아니면 너무너무 멋지다. 

아무튼 헷갈린 사람들을 위해 Preparation과 Initializing 단계를 비교해 보겠다.

    static int a; // Preparation 단계에서 a는 0으로 설정됨
    static int b = 5; // Initialization 단계에서 b는 5로 설정됨

    static {
        a = 10; // Initialization 단계에서 a= 10으로 재설정
        b = 20; // Initialization 단계에서 b= 20으로 재설정
    }

즉 Preparation는 실제 코드에 명시된 초기값이 아니라 데이터 타입의 기본값을 할당하는 것이고 

Initializing은 정적 변수에 사용자 정의 초기값 설정 및 static블록을 실행하며 필요한 초기화 작업을 수행하는 것이라고 볼 수 있다. 

 

이렇게 클래스 로더에 의해 로딩된 바이트 코드는 런타임 데이터 영역( Runtime Data Area )에 배치된다.

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4.Execution Engine(실행엔진) 

실행 엔진은 클래스 로더에 의해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 읽어 기계가 실행할 수 있는 형태로 변환한다. 이때 실행엔진은 인터프리터와 JIT (Just In Time) 컴파일러 두 가지 방식을 혼합하여 바이트 코드를 실행한다.

 

<작동 원리>

• InterPreter (인터프리터)

바이트 코드를 한 줄씩 읽고 즉시 실행하는 방식이다. 실행 초기 단계에서는 빠르게 시작할 수 있다는 장점이 있지만 

한 줄씩 해석하고 실행하기 때문에 반복되는 코드에서는 비효율적이고 실행 속도가 느릴 수 있다는 단점이 있다. 

 

• JIT 컴파일러

프로그램 실행 초기에 인터프리터가 바이트 코드 한 줄씩 읽어 실행하며 메서드의 실행 빈도를 체크한다.

이때 자주 발생하는 메서드를 기계어로 변환하여 캐시에 저장 후 동일한 메서드가 호출될 때 인터프리터가 읽는 것이 아닌 변환된 기계어가 빠르게 실행되는 방식이다.

 

자주 실행되는 코드가 빠르게 실행되므로 전체 프로그램 실행 속도가 향상되지만 JIT 컴파일러 자체가 시간이 걸려 컴파일링에서 약간의 지연이 발생할 수 있다. 

 

간단한 코드로 예시를 들어보자면 

 public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            printHello();
        }
    }

    public static void printHello() {
        System.out.println("Hello, World!");
    }

 반복문을 통해 printHello()를 10000번 호출한다고 할 때 초기에는 인터프리터가 printHello()를 한 줄씩 읽고 실행한다. 

이때 JVM이 printHello() 메서드가 자주 실행된다는 것을 기록하면(프로파일링 작업) 이후 JIT 컴파일러가 이 메서드를 기계어로 변환하여 캐시에 저장합니다. 

따라서 이후   printHello()가 또 호출되었을 때 인터프리터 없이  캐시에 저장된 기계어로 빠르게 실행된다. 

 

이렇게 JVM은 인터프리터와 JIT 컴파일러를 함께 사용함으로써 자바 프로그램의 실행 속도를 효율적으로 관리할 수 있다. 

 

메모리 영역에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수해 주는 가비지 컬렉터에 대해서는 따로 정리하여 링크로 올려둘 예정이다. 그 이유는 GC에 대한 내용을 조금 더 자세히 설명해 주기 위해서이다.

 

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5. Runtime Data Area

마지막으로 런타임 데이터 영역에 대해 알아보자 

Runtime Data Area은 자바 애플리케이션을 실행하기 위해 운영체제로부터 할당받은 메모리 공간이다. 

즉 바이트코드가 수행되는 공간 

 

메서드영역, 힙, 스택, 프로그램 카운터, 네이티브 메서드 스택으로 구성되어 있으며 

더 추가적인 내용은 지난번에 올린 JVM 메모리 구조 포스팅을 참고하자!

 

 

 

2024.02.13 - [𝐬𝐭𝐮𝐝𝐲/𝐉𝐚𝐯𝐚] - 메서드 영역, 스택 영역, 힙 영역(JVM)

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강사님이 자바의 플랫폼 사진을 보여주셨는데 

JVM이 눈에 띄어 혼자서 더 공부하게 되었다. 

처음 구글링을 할 때 이렇게까지 내용이 방대할 줄 몰랐지만 내가 사용하는 언어가 어떻게 작동되는지는 알고 사용하고 싶은 마음에 포기할 수 없었다.

나처럼 공부를 시작한 지 얼마 안 된 분 들을 위해 최대한 예시도 들고 단어도 풀어가며 설명했는데 

도움이 되었을지는 모르겠지만 다들 파이팅이다!!