자바 기초 이해하기-JVM, JRE, JDK

in Study Log on Java

이 장에서 배울 내용

  • 컴파일, 런타임 환경에서의 JVM
  • JVM 구조와 흐름(Execution Engine)
  • JRE
  • JDK

JVM(Java Virtual Machine)

:자바 프로그램의 실행환경을 만들어주는 가상 머신

JVM을 사용하면 플랫폼에 구애받지 않고 동작할 수 있다. 이게 다른 언어와 다른 점이 무엇이냐하면, (실행구조 순서대로 글을 보고싶다면 숫자(1)(2)…가 붙여져있는 부분을 위주로 보자.)

컴파일 환경

먼저 예를 들어 윈도우 환경에서 C 언어로 작성된 .c 파일 같은 경우에는 c 언어 소스 코드를 (1) 컴파일러를 통해 기계어로 변환하여 (2) 윈도우에서 실행 가능한 .exe 실행파일로 만든다. 이렇게 만들어진 실행 파일은 리눅스와 같이 다른 플랫폼 환경에서 실행시킬 수 없다.

하지만 JAVA의 경우에는 (1)java 컴파일러를 통해 JVM이 이해할 수 있는 바이트 코드(.class)로 변환한다. 그리고 이렇게 생성된 바이트 코드를 각각의 플랫폼에서 동작할 수 있는 자바의 가상 머신 (JVM)이 실행 가능한 파일로 만들어준다. 즉, 컴파일을 플랫폼에 구애받지 않고 수행할 수 있다는 말이다. 하지만 JVM은 각각의 플랫폼에 맞는 버전을 설치해줘야한다.(이를 "JVM이 플랫폼에 종속적이다." 라고 표현을 하기도 한다.)

바이트 코드란?
사람이 작성한 코드보다 더 기계친화적인 언어로, 특정 하드웨어에서가 아닌, 가상머신이 실행할 수 있도록하는 이진 표현법이다. 대표적으로 자바와 C#이 이런 바이트 프로그램을 사용한다. 이는 프로그램 실행 전에는 인터프리터보다 느릴 수 있지만 성능이 훨씬 더 좋다. 위에서 설명했듯이, 이렇게 생성된 바이트 코드는 플랫폼에 구애받지 않고 가상머신이 실행 가능한 파일로 만들어줄 수 있다.

런타임 환경

JVM 구조 이렇게 만들어진 바이트코드(.class)를 (2)클래스 로더가 JVM Runtime Data Area(메모리)에 할당한다. (JVM Runtime Data Area는 운영체제에서 프로그램을 실행시키기 위해서 할당하는 메모리 영역이다.) 다섯 영역의 역할을 하나씩 살펴보자.

여기서 가장 앞 쪽의 Method, Heap Area는 모든 thread에 공유가 되고 나머지 Stack Area, Native Method Stack, PC Register는 thread가 별도로 생성이 된다.

1. Method Area

프로그램 내에서 코드로 구현된 클래스는 처음부터 저장되지 않는다. 클래스가 할당이 되어 객체가 생성이 되면 JVM은 클래스 함수, 필드 등을 이 공간에 저장한다. 저장되는 정보들은 필드, 메소드, 클래스 정보, static 변수 등등으로 아주 많으니 자세한 내역이 알고 싶다면 검색 해보도록 하자.

2. Heap Area

프로그램은 실행될 때 heap 영역을 많이 할당해놓는데 주로 정적 개체가 생성될 때 이 공간으로 간다. reference 변수의 경우 이 heap에 instance 공간이 할당되는 것이 아니라 포인터가 할당된다.(heap 공간에 대한 자세한 이야기는 다른 포스팅으로 따로 정리할 것이다.)

3. Stack Area

쓰레드 제어를 위해 할당되는 공간으로, method가 실행될 때마다 쓰레드가 하나씩 배정된다. method가 호출 되면 method 정보(method 매개변수, local 변수 등)가 기록되며, method 호출이 종료되면 메모리 공간이 사라진다.

4. PC Register

CPU 같은 경우에는 연산 과정에서 필요한 정보들을 Register라는 공간에 담아둔다. 예를 들면 1 + 2 라는 연산을 수행하기 위해 1과 2를 공간에 넣어두고 더하는 연산을 실행하고 이 결과 또한 다른 Register 공간에 할당하는 것처럼 말이다. JVM에서는 코드를 수행하는 과정에서 프로그램의 실행 상태를 저장하기 위해 PC Register라는 공간을 사용하는데 실행 과정에서 별도의 프레임에 지역 변수와 중간 연산 결과를 저장한다. (실제 하드웨어의 Register에 저장되는지에 대한 여부는 코드의 상황에 따라 다르며 JVM과 운영체제 간의 추상화를 통해 처리한다.)

5. Native Method Stack

앞서 Java로 구현된 코드는 플랫폼에 구애받지 않고 실행될 수 있다고 했다. 하지만 운영체제의 모든 기능을 Java로 구현할 수는 없어서 다른 언어로 작성된 Method를 사용해야할 수도 있다. 이를 대처하기 위한 방법이 JNI(Java Native Interface)이다. JNI를 통해 보통 C나 C++로 구현되어있는 운영체제의 고유 함수들을 Java Method와 연결하여 Java method를 호출해도 C나 C++ 함수가 실행될 수 있도록 한다. 이러한 정보들이 담겨있는 곳이 NMS(Native Method Stack)이다.

이렇게 JVM Runtime Data Area에 로딩된 (3).class 데이터들은 Execution Engine을 통해 변환이 된다.

Execution Engine

Exucution Engine은 Interpreter, JIT(Just In Time) 두 가지 방법을 함께 사용하여 변환한다. 먼저 Interpreter 방법은 가장 초기에 사용됐던 방법으로 한 줄씩 코드를 읽고 실행시키는 방법인데 속도가 느리다는 단점이 있다. 이런 단점을 보완하고자 추후에 나온 것이 JIT이다. JIT는 프로그램에서 자주 실행되는 코드를 미리 준비해서 저장해둔 다음 실행이 될 때마다 Native Code로 변환하여 실행 속도를 개선했다. 하지만 비용이 발생하기 때문에 먼저 Interpreter 방식을 사용하고, 일정 기준의 시간이 지나면 JIT 방식을 사용하여 실행한다.

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이렇게 해석된 코드들은 Java Runtime Data Area에 공간을 할당받고 수행되며 GC(Garbage Collection)가 작동하면서 삭제되기도 하면서 스레드 동기화가 이루어진다. 사진을 보면 외에 포스팅에서 다루지 않은 과정도 있는데 오늘 포스팅은 JVM이 핵심이므로 이 포스팅에서는 언급하지 않을 것이다. (GC도 나중에 따로 포스팅둘 것이다.)

스레드 동기화란? 두 개 이상의 스레드가 동시에 같은 데이터에 접근하게 되면 예상하지 못한 결과가 나올 수도 있는데, 이러한 문제를 방지하는 것이 스레드 동기화다.

JRE

: JVM이 실행될 수 있는 환경으로 각 구성 요소들의 활동을 조율한다.

JRE는 자바 프로그램 실행을 위한 라이브러리와 소프트웨어가 포함되어있다. 하지만 Java Programming을 하기위한 도구는 없으므로 읽기만 가능하다. 앞서 Class Loader가 Java 실행 과정에서 런타임 환경의 일부 구성 요소였던 것처럼 JVM 역시 JRE에 포함된다.

JDK

: 자바 애플리케이션을 개발하기 위한 핵심 구성요소로 대표적으로 Java Compiler가 있다.

JDK는 상단의 JRE와 프로그래밍 도구가 포함되어있다. JRE는 자바 애플리케이션을 실행만 할 수 있는 반면 JDK는 자바 애플리케이션 개발할 수 있는 도구도 포함하고 있으므로 JDK에 JRE가 포함된다고 볼 수 있다.

글을 마치며… Java 런타임 환경에서의 구조가 이해하기 힘들었다. 특히 PC Register의 필요성과 역할이 잘 와닿지 않아서 이리저리 찾아보며 꽤 헤맨 것 같은데 아마도 CPU의 Register에 대한 지식이 없었던 터라 그랬던 것 같다. 컴퓨터 구조 공부를 조금씩 병행해야하나 싶었다. 참고할 자료들을 추가적으로 찾아보는 과정에서도 아직 완벽하게 이해하지 못한 개념적인 부분들(GC, Heap)이 반복적으로 언급이 돼서 추가적으로 복습하고 정리해서 따로 포스팅하면 좋을 것 같다.

[참고자료]