[java] JVM이란 무엇인가

1/ JVM(Java Virtual Machine) 

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JVM (Java Virtual Machine) : 자바 프로그램이 실행되는 가상 컴퓨터(Virtual Machine)

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운영체제에서 바로 실행하면 되는 데 JVM 이라고 하는 가상 머신(기계)이 왜 필요한 것인가?

 

1. 자바 프로그램은 바이트 코드이기 때문에 운영체제가 이것을 해석하고 실행 할 수 없다.
2. 자바 가상 머신으로 자바 바이트 코드(.class 파일)를 OS에 특화된 코드로 변환(인터프리터와 JIT 컴파일러)하여 실행한다.
3.  JVM이 자바를 실행하는 가상의 운영체제 역할을 담당 한다.
4.  즉 , JVM은 운영체제와 자바 프로그램를 연결 해주는 중간 다리라고 보면 된다.
5.  그렇기 때문에 운영체제에 맞는 JVM을 설치하기만 하면 모든 운영체제에서 자바를 실행 할 수 있다.

JVM의 역할

자바는 운영체제에 독립적, JVM은 운영체제에 종속적이다.

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2/ 자바 컴파일 순서

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1. 개발자가 자바 소스코드(.java)를 작성합니다.
2. 자바 컴파일러(Java Compiler)가 자바 소스파일을 컴파일합니다. 이때 나오는 파일은 자바 바이트 코드(.class)파일로 아직 컴퓨터가 읽을 수 없는 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 코드입니다. 바이트 코드의 각 명령어는 1바이트 크기의 Opcode와 추가 피연산자로 이루어져 있습니다.
3. 컴파일된 바이크 코드를 JVM의 클래스 로더(Class Loader)에게 전달합니다.
4. 클래스 로더는 동적로딩(Dynamic Loading)을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역(Runtime Data area), 즉 JVM의 메모리에 올립니다.
   • 로드 : 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드합니다.
   • 검증 : 자바 언어 명세(Java Language Specification) 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사합니다.
   • 준비 : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당합니다. (필드, 메서드, 인터페이스 등등)
   • 분석 : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경합니다.
   • 초기화 : 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화합니다. (static 필드)
5. 실행엔진(Execution Engine)은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행합니다. 이때, 실행 엔진은 두가지 방식으로 변경합니다.
   • 인터프리터 : 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행합니다. 하나하나의 실행은 빠르나, 전체적인 실행 속도가 느리다는 단점을 가집니다.
   • JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler) : 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 바이트 코드 전체를 컴파일하여 바이너리 코드로 변경하고 이후에는 해당 메서드를 더이상 인터프리팅 하지 않고, 바이너리 코드로 직접 실행하는 방식입니다. 하나씩 인터프리팅하여 실행하는 것이 아니라 바이트 코드 전체가 컴파일된 바이너리 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행속도는 인터프리팅 방식보다 빠릅니다.

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3/ JVM 구성 요소

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바이트 코드를 읽고 자바를 실행 하는 JVM의 구성 요소를 살펴보자

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Class Loader 

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• 컴파일 된 .class file을 읽은 뒤 Method Area에 저장한다.
• 로딩 : 클래스를 읽어 오는 과정
• 링크 : 레퍼런스를 연결하는 과정
• 초기화 : static 값들 초기화 및 변수에 할당

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Runtime Data Area : JVM이 Java Bytecode를 실행하기 위해 사용하는 메모리 공간

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• method area : 클래스 로더가 클래스 파일을 읽어오면 클래스 정보(runtime constant pool , field , method data , code for methods)
  를 파싱해서 저장하는 곳
• heap : 프로그램을 실행하면 생성한 모든 객체를 저장하는 곳
• pc registers : 각 스레드가 메서드를 실행하고 있을 때, 메서드 안에 몇 번째 줄을 실행해야 하는지 나타내는 역할
• stack : 스레드 별로 1개만 존재한다. 스택 프레임은 메서드가 호출될 때 마다 생성된다. 메서드 실행이 끝나면 스택 프레임은 pop되어 제거된다.

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Native Method Stacks 

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• Java Bytecode가 아닌 다른 언어로 작성된 메서드를 의미

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Execution Engine : 바이트코드를 실행 하는 곳

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• Interpreter : 바이트코드를 한 줄 씩 읽어서 기계어로 변환한다. 한 줄 씩 읽어서 변환 하기 때문에 느릴 수 있다.
• JIT Compiler : 위에서 언급한 interpreter의 단점을 보완해 줄 수 있다.
  코드 중에 반복되거나 자주 실행되는 코드를 기계어로 컴파일 한 뒤 캐싱해서 재사용한다.
• Garbage Collector : JVM의 Heap 영역에서 사용하지 않는 객체를 삭제하는 프로세스를 말한다.

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Native Method Interface(JNI)

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• 네이티브 응용 프로그램 , C, C++와 같은 다른 언어로 작성된 어플리케이션과 연동할 수 있는 인터페이스를 제공
• 네이티브 응용 프로그램, C, C++ 라이브러리를 호출 할 수 있게 해줌
• 또한 네이티브 응용 프로그램, C,C++ 라이브러리가 호출 할 수 도 있게 해주는 역할도 수행

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4-1/ console창으로 컴파일(Compile)하기

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자바 프로그램에서 컴파일이란?

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•  JVM은 java code를 이해하지 못한다.
•  java code(텍스트 파일)을 JVM이 사용할 수 있게 class file(.class)를 생성하는 것을 말한다.

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1.자바 설치(JDK)

•  JDK 폴더 안에는 javac.exe 라는 자바 컴파일러가 포함 되어 있다.

 

* 자바 컴파일러(Java compiler)

자바를 가지고 작성한 자바 소스 코드를 자바 가상 머신이 이해할 수 있는 자바 바이트 코드로 변환해준다.

자바 컴파일러는 자바를 설치하면 javac.exe 라는 실행 파일 형태로 설치된다. 

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2. java 소스 파일 생성하기

아무 위치에나 java 폴더안에 java 파일을 생성한다.

ex) C:\Users\jung\eclipse-workspace\toy_project\src\main\java\board\sample\web\test.java

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3. 자바 컴파일러 실행단계

위에서 만든 test.java 파일을 컴파일할 단계이다.

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3-1. 우선 명령 프롬프트(cmd)를 실행시킨다.

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3-2. 소스 파일이 있는 경로로 이동(cd 파일경로) 

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3-3. javac.exe (.exe 생략 가능) → javac test.java 입력하면, 바이트 코드 test.class 가 생성됨

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결론 : Compiler(javac.exe)을 통해서 Java code(자바 코드) →  Byte Code (바이트 코드) 변환 

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4-2/ 자바(java) 실행하는 방법

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1. JDK 폴더 안에 자바를 실행할 수 있는 java.exe가 있다.

• 명령 프롬프트 실행 -> 컴파일된 파일 경로로 이동
• java.exe로 자바 실행
• java test 입력 (바이트 코드 파일을 실행할 때 .class 확장명을 제외하고 입력해야 함)

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2. 이때 package가 지정되어 있는 자바 파일은 파일 경로가 맞지만 기존 명령어를 이용하여 실행시킨다면 아래와 같은 오류가 발생하게 됩니다.

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3. 자바 파일에 package가 지정되어 있다면, package가 지정된 상위 폴더에서 실행 시켜줍니다. package의 부모 위치에서 실행하며, 클래스 파일의 이름을 패키지명.클래스파일명 으로 지정해줍니다.

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4. JVM이 바이트 코드 파일을 메모리에 로드하고 , 기계어로 번역한다.

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5. java main() 메소드를 찾아 실행한다.

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결론 : JVM(java.exe)을 통해서 Byte code(바이트 코드) → Machine Code (기계어) 변환 

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출처 : https://connie.tistory.com/5 

출처 : https://as-i-am-programing.tistory.com/2