[Java Handbook] Part 1-2

 

 

• JDK : Java Development Kit / 자바 개발 도구
• JRE: Java Runtime Environment / 자바 실행 환경
• JVM: Java Virtual Machine / 자바 가상 기계

 

 

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1. Java의 호환성

Java와 C언어의 차이

• 하나의 목적 파일로 어디서든 실행이 가능한지, 다수의 목적파일을 만들어서 각 기계에 맞게 사용가능한지 의 차이
• Java의 목적파일은 반기계어인 바이트코드(.class)이고, 이는 운영체제가 아니라 JVM에서 사용된다.
  [* 바이트코드: 특정 HW가 아닌 가상 컴퓨터에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법]
• 소스코드를 바이트 코드로 컴파일 해주는게 바로 자바 컴파일러(javac)

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2. Java의 실행과정

1. 자바 소스파일(.java) 작성
2. JDK가 제공하는 javac를 사용해 소스파일 컴파일
3. JVM의 Class Loader는 컴파일로 생성된 바이트 코드(.class)를 전달 받아 동적 로딩을 통해 실행에 필요한 클래스들을 로딩하여 JVM 내부 Runtime Data Area에 로드
4. JVM의 Execution에 의해 기계어로 해석되어 실행

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Class Loader

• 클래스들을 동적으로 메모리에 로딩하는 역할 담당
• 프로그램 상의 작성한 모든 클래스, 변수 및 메서드의 정보를 Method Area에 배치
  [* Method Area → 자바의 메모리 구조(Runtime Data Area) 중 한 영역
  (크게 3개 영역(메소드 영역(클래스 영역), 스택 영역, 힙 영역)으로 분리됨)]
• JVM 내부에 바이트 코드를 로드하고 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈

 

Execution(실행 엔진)

• Interpreter
  : 바이트 코드를 한 줄씩 읽고 번역해 주는데 느리다는 단점이 존재
  [* 인터프리터 → 고급 언어로 작성된 원시코드 명령어들을 바로 번역하여 실행하는 프로그램 혹은 환경]
• JIT 컴파일러
  : Interpreter 방식으로 실행하다가 적당한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 캐싱
  • 인터프리터 방식으로 보완하기 위해 나온 것
  • 캐싱(컴파일된 코드 저장)을 하기 때문에 코드들은 Interpreter를 통해 실행되는 것이 아니라 바로 실행되어 실행 속도가 매우 빨라짐
• Garbage Collector
  : 사용되지 않는 메모리를 추적하여 비워주는 기능을 가짐

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3. Compile 언어와 Interpreter 언어

	Compile 언어	Interpreter 언어
의미	소스파일 전체를 컴파일 한 후 기계어를 CPU와 메모리를 통해 읽어서 바로 실행하는 방식으로 동작되는 언어	소스파일을 컴파일하지 않고서 인터프리터를 사용해 소스파일을 한 줄씩 번역하면서 실행하는 방식으로 동작이 되는 언어
종류	C, C++, Java, C# ....	Javascript, Ruby, Python ...
특징	소스파일의 크기가 크면 컴파일 과정이 오래 걸릴 수 있음 컴파일이 된 후에 기계어로 바로 실행되기 때문에 실행속도가 빠름 Java는 javac에 의해 바이트코드로 컴파일되지만 JVM에서는 인터프리터로 실행되므로 컴파일 언어와 인터프리터 언어의 특징을 동시에 가짐	컴파일 언어처럼 별도의 목적파일이 존재하지 않음 컴파일 과정없이 바로 실행되기 때문에 수정 및 디버깅시 편함 Interpreter만 존재하면 어디서든지 실행이 가능하기 때문에 자유롭고 독립적 실시간으로 번역되면서 실행되기 때문에 실행속도가 느림

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3. JVM

JVM

: Java 프로그램이 실행되는 가상 컴퓨터

 

JVM 구조

• 내부적으로 복잡한 구조를 가지고 있음

 

전 처리 과정

• JRE는 프로그램을 실행하기 전에 먼저 프로그램에 메인 메서드를 포함하고 있는지 확인 후, 존재한다면 JVM을 부팅시키고 부팅된 JVM은 전달받은 코드를 실행시킴. 이때 가장 먼저 하는 일

1. 모든 Java 프로그램은 반드시 java.lang 패키지를 포함하기 때문에 JRE는 해당 패키지를 메서드 영역에 배치
2. 프로그램이 사용하기 위해 import한 패키지들도 메서드 영역에 배치
3. 프로그램 상의 작성한 모든 클래스, 변수 및 메서드의 정보를 메서드 영역에 배치
4. static(정적) 변수와 메서드는 힙 영역에 배치

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4. Runtime Data Areas

: 컴퓨터에서 메모리같은 역할을 수행하는 영역

• 자바 프로그램을 실행하여 발생하는 데이터를 저장하는 역할을 함
• 데이터의 속성에 따라 영역이 분리되어 있음

 

PC Register

: 스레드가 시작될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드가 어떤 명령에 의해 실행되어야 할지에 대한 기록을 하는 부분.

• 스레드마다 하나씩 존재
• 현재 수행하고 있는 JVM의 명령 주소를 갖고 있음

 

Native Method Stack

: 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역

• 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 코드 실행시 Native Method Stack이 할당됨 (일반적으로는 C스택)
• Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장
• 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

 

Method Area(Metaspace, Static Area, Class Area)

: 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화되는 대상을 저장하기 위한 공간

• 클래스의 타입, 변수 및 메서드 등의 정보를 가지고 있으며 모든 스레드가 공유
• Runtime Constant Pool
  : 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할 수행

 

Heap Area

: 객체(인스턴스)가 생성되는 영역

• 프로그램을 실행하는 중 생성되는 객체들을 생성하는 곳
• Permanent Generation
  : 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간
  • 클래스 로더에 의해 로드되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역으로 JVM에 의해 사용됨
  • Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용됨
  • Java 8 이전에는 Permanent Generation이 Heap 내부에 존재했지만, 이후에는 Metaspace라 불리며 Native 메모리 영역에 저장됨. (제한된 메모리 크기때문에 발생했던 한계점 해결하기 위해)
• New/Young Generation
  : 생명주기가 짧은 객체를 Garbage Collector의 대상으로 하는 영역
  
  • Eden: 객체들이 최초로 생성되는 공간
  • Survivor 0,1: Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간
  • Eden 영역에 객체가 가득차게 되면 Garbage Collector에 의해 Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 객체들을 삭제함
• Tenured Generation
  : 생명주기가 긴 객체를 Garbage Collector의 대상으로 하는 영역
  
  • Old: 이곳의 객체들은 Garbage Collector에 의해 삭제됨
  • New/Young Generation 에서 일정시간 참조되고 있고 살아남은 객체들이 저장되는 공간

 

Stack Area
: 프로그램 실행 과정에서 임시로 할당이 되었다가 메서드를 빠져나가면 바로 소멸이 되는 특성의 데이터들을 저장하기 위한 영역. 
실행되는 메서드 및 중괄호 블록(if문 등)에 대한 데이터가 저장되는 영역

• 가장 처음 실행되는 메서드(main())가 첫 번째로 메모리에 올라가고 그 다음에 실행되는 메서드들이 위에 쌓이는 구조
• 쌓이는 메서드의 단위를 스택 프레임이라고 부름
• 해당 메서드를 실행하기 위한 변수 및 블록이 존재하면 스택 프레임 내부에 스택프레임이 생길 수 있음
• 멀티 스레드 환경에서 각 스레드가 고유의 스택 영역을 가진다는 점이 가장 큰 특징

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프로세스(Process)

: 사용자가 작성한 프로그램이 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행중인 것. 실행중인 프로그램

• 프로그램에서 사용되는 메모리 등의 자원과 스레드로 구성됨

 

스레드(Thread)

: 프로세스 내부에서 실제로 작업을 수행하고 있는 주체

• 2개 이상의 스레드를 가지고 있는 프로세스는 멀티 프로세스(multi-threaded process)라고 부름

 

Reflection

: 컴파일 시간이 아닌 실행 시간에 동적으로 특정 클래스의 정보를 추출할 수 있는 프로그래밍 기법

• 구체적인 클래스 타입을 알지 못해도 컴파일된 바이트 코드를 통해 역으로 클래스의 정보를 알아내 사용 가능