cheeolee

WhiteShip Live Study 1주차. JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가.

4 minute read

WhiteShip Live Study 1주차. JVM은 무엇이며 자바 코드는 어떻게 실행하는 것인가.

목표

자바 소스 파일(.java)을 JVM으로 실행하는 과정 이해하기.

학습할 것

  • JVM이란 무엇인가
  • 컴파일 하는 방법
  • 실행하는 방법
  • 바이트코드란 무엇인가
  • JIT 컴파일러란 무엇이며 어떻게 동작하는지
  • JVM 구성 요소
  • JDK와 JRE의 차이

JVM이란 무엇인가

JVM이란 Java Virtual Machine의 약자이다.
Virtual Machine은 가상 머신 (가상 컴퓨터)이다.
즉 JVM은 ‘자바를 실행하기 위한 가상 머신’ 이다.

자바로 구현된 애플리케이션은 모두 JVM에서 실행되기 때문에
반드시 JVM이 필요하다.

error

위의 그림에서 알 수 있듯이
자바 애플리케이션은 JVM을 거치고 OS까지 거쳐야한다.
이 때문에 속도가 느리다는 단점이 있다.
그러나 OS에 독립적이기 때문에 다른 OS에서도
해당 OS에서 실행 가능한 JVM이 존재한다면 프로그램의 변경없이 실행할 수 있다.

애플리케이션 실행까지..

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

위는 콘솔에 Hello World! 를 출력하는 자바 코드이다.
이 프로그램을 실행하기 위해서는 먼저 ‘컴파일’이라는 작업을 거쳐야 한다.
기본적으로 위와 같은 소스 코드는 xxx.java 라는 파일이다.
컴파일을 거치게 된다면 xxx.class 라는 파일로 변경이 되고,
개발자가 읽고 쓸 수 있는 소스코드에서 ‘바이트 코드’로 변경이 된다.

그리고 인터프리터가 바이트 코드를 해석 해 애플리케이션이 실행된다.

컴파일 하는 방법

바로 위의 Main 클래스를 컴파일 하고 실행해보겠다.
터미널을 통해 컴파일 하는 방법이다.
해당 경로로 이동을 한다. (cd 경로/경로/경로)

error

이후 자바 컴파일러를 통해 Main.java 파일을 컴파일한다.
위 명령어 javac의 c가 바로 컴파일러의 앞글자이다.
컴파일에 성공하면 위와 같이 아무일도 발생하지 않은 듯 하며,
Main.class라는 파일이 생성된다.

error

만약 오타와 같은 실수를 했다면, 컴파일 과정에서 에러가 발생할 것이다.
아래는 class를 clas 라고 쓴 오타가 있다.

public clas Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!")
    }
}

error

이렇게 에러가 발생하고, Main.class 파일은 생성되지 않는다.
컴파일 할 때 모든 경우에 이렇게 친절하게 에러를 알려주진 않는다. (컴파일 에러)

실행을 하고 어떤 행위가 발생했을 때만 발생하는 에러들도 있으니 (런타임 에러)

컴파일을 하고 아무런 에러가 발생하지 않는다고 안심할 순 없다.

실행하는 방법

컴파일에 성공하면 같은 경로에 Main.class 파일이 생성되있을 것이다.

실행을 하기 위해서는 인터프리터를 사용해야 한다.

error

굉장히 별거 없다.
인터프리터는 java 라는 파일이고, (윈도우는 java.exe)
이를 통해 Main.class 파일을 실행하는 것 뿐이다.

여기서 주의 할 점은 컴파일 할 때는 확장자까지 입력을 해야하지만,
실행할때는 어떠한 확장자도 입력하면 안된다.

error

그런데 Main.java에 당연히 에러가 발생할 것이라 생각했는데 아니었다.
환경변수가 JDK 11로 되어있어 그럴까 싶어, 테스트해보았다.

error

JDK 1.8 이고, 디렉토리에는 Main.java 만 있다.
이때 java Main.java 명령어를 입력하니 처음에 원했던 에러가 발생했다.

다음은 JDK 11이다.

error

동일한 상황이지만 JDK 버전이 11이다.
컴파일을 하지 않았음에도 불구하고 실행이 됬다.
정확히 어떤 버전부터인지는 모르겠으나,
확장자가 java인 파일도 인터프리터를 통해서
컴파일 + 실행을 할 수 있게 된 것 같다.

바이트코드란 무엇인가

바이트코드란 JVM이 읽고 해석할 수 있는 언어이다.
아까도 잠깐 말했지만, 어떤 운영체제에서도 JVM만 있다면
Main.class 파일을 실행 시킬 수 있다.

바이트 코드는 다음과 같다.

error

javap 명령어는 disassembler이다. (역 어셈블러)
p가 어떤것을 의미하는지는 정확히 모르겠다…
-c 옵션을 주고 Main 혹은 Main.class를 입력하면
바이트코드를 볼 수 있다.
(JDK 11 버전도 javap -c Main.java 는 안된다!!)

바이트코드를 해석하는 일은 쉽지 않고, 꼭 알아야 하는 건 아니지만,
대체 어떻게 동작되는건지 전혀 모르겠는 코드 혹은 문법은 바이트 코드를 보는 것도 도움이 된다.

예를 들어 12주차 애노테이션 스터디에서 학습한 자료이다.
(시간 상 안맞지만 4주차 이전 스터디는 거꾸로 진행해서 가지고 있다..)

@Retention(RetentionPolicy.CLASS)
public @interface MyAnnotaion {}


public class Example {

  @MyAnnotaion
  public static void main(String[] args) {
  }
  
}

사용자 정의 애노테이션이다.

@Retention(RetentionPolicy.CLASS)

위 옵션은
컴파일 단계까지만 애노테이션의 기능을 수행한다. 즉 실행 후엔 작동하지 않는다.
바이트 코드를 살펴보자.

error

메인 메서드에 @MyAnnotation 이 붙어있지만 주석으로 invisible이 되어있다.

@Retention(RetentionPolicy.CLASS)

위 옵션은 소스코드까지만 애노테이션의 기능을 수행하는데,

error

메인 메서드 어디에도 @MyAnnotation을 찾을 수 없다.

이처럼 코드로 찾을 수 없거나, 이해가 난해한 동작을 하는 코드 혹은 문법은
바이트 코드를 통해 조금 더 심도있게 이해 할 수 있다.

JVM 구성 요소

Class Loader

JVM 내로 클래스 파일을 load하고 link를 통해 배치를 수행하는 모듈이다.
런타임 시 동적으로 클래스를 로드한다.

  • load : 클래스를 읽어오는 과정
  • link : 레퍼런스를 연결하는 과정

Execution Engine

클래스 로더를 통해 배치된 클래스를 실행시킨다.
위에서 보았듯 클래스 파일은 (바이트코드) 비교적 사람이 보기 쉬운 형태이다.
이를 기계가 실행할 수 있는 형태로 변환시키는데,
이때 인터프리터, 혹은 JIT 방식을 사용한다.

Interpreter

실행 엔진은 바이트 코드를 명령어 단위로 실행한다.
한 줄 씩 수행하기 때문에 느리다는 단점이 있다.

Jit Compiler

Just In Time Compiler의 약자로 기존 인터프리터 방식의 단점인 속도를 보완하기 위해 도입된 방식이다.
인터프리터 방식으로 실행하다 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고,
더 이상 인터프리팅 하지않고 직접 네이티브 코드로 실행하는 방식이다.
네이티브 코드는 캐시에 보관되기 때문에 한번 컴파일 된 코드는 빠르게 실행할 수 있다.

그러나 이러한 방식도 JIT 컴파일러가 컴파일 하는 과정이 인터프리팅하는 것 보다 더 오래걸리므로
한 번만 실행되는 코드는 컴파일하지 않고 인터프리팅을 하는 것이 유리하다.
이를 위해 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 실행되는지를 체크하고
일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

Garbage Collector

Heap 메모리에 올라가는 객체들을 관리한다.
더 이상 참조되지 않는 메모리를 반환해준다.
C와 같은 언어에서는 객체를 사용하지 않는다면 필수적으로 해제를 해주어야하는데,
자바는 가비지 컬렉터에 의해 반환되기 때문에 개발자의 일이 줄어든다.

JVM이 OS에 메모리를 추가적으로 요청했을 때 실행되며,
24시간 내내 돌아가는 서버 프로그램의 경우, JVM이 한가한 시점에 실행된다.

JDK와 JRE의 차이

JRE란

  • 자바 애플리케이션을 실행 할 수 있도록 구성된 배포판이다.
  • JVM과 핵심 라이브러리 및 자바 런타임 환경에서 사용하는 프로퍼티 세팅이나, 리소스 파일을 가지고 있다.
  • 그러나 개발 관련 도구는 포함되어있지 않다.

즉 JRE는 자바 프로그램 실행용 도구이다.

JDK란

  • JRE를 포함하며 개발에 필요한 도구인 javac, javap를 비롯한 javadoc, jconsole 등이 포함되어 있다.
  • JAVA 11 버전 부터는 JDK만 제공하며 JRE는 제공하지 않는다.

실질적으로 JDK라는 이름하에 JRE가 포함되어 있다.

참고

선장님 - 인프런 강의 더 자바, 코드를 조작하는 다양한 방법
Jbee님 블로그 - #자바가상머신, JVM(Java Virtual Machine)이란 무엇인가?

Leave a comment

You may also enjoy