JVM, JRE, JDK

개요
JVM 구조
자바 바이트코드

jdk

개요

JVM(Java Virtual Machine) 자바 가상 머신

바이트코드를 OS에 특화된 기계어로 변환하여 실행하는 구현체이다. 쉽게 설명하자면 .class 파일로 된 바이트 코드를 OS가 이해할 수 있는 기계어로 번역후 CPU에 명령을 보내 실행하는 역할을 담당한다.

JRE(Java Runtime Enviroment) 자바 실행 환경

각각의 OS 에서 JVM 을 동작할수 있게 실행 환경을 구성해 놓은 도구이다.

JRK(Java Development Kit) 자바 개발 키트

자바코드를 바이트코드로 컴파일 해주는 기능이 추가된 것이 JDK이다.

개발자들이 일반적으로 설치하는 도구이다. JDK 를 설치하면 JRE 와 JVM 이 모두 포함되어 있어 이것만 설치하면 컴파일 부터 실행까지 모든 기능을 사용할 수 있다.

JVM은 스펙을 따르기만 하면 어떤 벤더는 JVM 을 만들고 배포할수 있다. (참고)[https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html] 단, JVM 자체를 독립적으로 배포하지는 않고 JDK 와 함께 통합으로 배포하고 있다.

자바 유료화 논란이 발생되기 이전은 대부분 오라클JDK 를 이용했다. java를 인수한 오라클이 만들기에 가장 신뢰할수 있었기 때문인데 java 11 부터 오라클jdk 유료화 소식이 전해지면서 대부분 유저들이 오라클jdk 에서 이탈하기 시작했다. 최근에는 OpenJDK, Adopt OpenJDK, Azul OpenJDK 를 많이 사용한다.

자바 코드는 2단계를 거쳐 실행 되기 때문에 1단계만 거치는 C,C++ 과 같은 언어보다 속도가 느리다고 하는 이유가 여기서 발생한다. 대신 자바에서 지원하는 OS 에서는 호환성 문제 없이 실행할 수 있다는 장점이 있다.

JVM 구조

jvm

클래스 로더 시스템 영역

.class 로 이루어진 바이트코드를 읽어 들여서 적절하게 메모리에 할당하는 역할을 담당한다. 클래스 로더 시스템을 아래 3단계로 구분할 수 있다.

로딩

클래스를 읽어오는 과정

링크

레퍼런스를 연결하는 과정

초기화

static 값 초기화 및 변수에 할당

메모리 영역

메모리 영역에는 클래스 로더가 배치한 메모리를 읽어서 실행엔진에 전달하는 역할을 담당한다.아래 5 단계로 구분할 수 있다.

스택

메소드를 호출했을때 실행되는 메소드 내의 메모리 영역이다. 해당 메소드에서 만들어진 변수들은 모두 스택 메모리에 저장된다. 레퍼런스 타입은 레퍼런스의 주소값만 스택에 저장되고 실제 구현된 메모리는 힙 영역에 저장된다.

스레드 마다 하나씩 만들어 진다. 스레드 마다 runtime stack 이라는 것을 만들고 그 안에 스택 프레임을 만든다.

PC

스레드 마다 스레드 내 현재 실행할 스택 프레임을 가리키는 포인터를 의미한다.

스레드 마다 하나씩 만들어 진다.

네이티브 메소드 스택

자바에서는 native 메소드를 지원하는데 쉽게말해 자바에서 C,C++ 를 실행하기 위한 메소드라고 보면 된다. 실제로 많은 자바 객체들이 native 메소드로 구현된 것이 많이 있다. 자바에서 직접 C 언어 관련 모듈을 실행하는것이 아니라면 사용할 일은 드물다.

힙

인스턴스로 생성한 객체를 저장하고 공유하는 영역이다. 레퍼런스 타입들은 모두 heap 영역에 저장된다.

스레드에 국한되지 않고 모든 영역에서 접근 가능한 공유된 영역이다.

메소드

클래스이름, 부모클래스 이름, 메소드, 변수 등 클래스 수준의 정보를 저장하며, 메소드에 저장된 영역은 다른 자원들과 공유가 가능하다. 그렇기에 어디서 클래스를 만들어도 다른 패키지에서 해당 클래스가 존재하는지 여부를 알 수 있다. 물론 접근할 수 있는지 여부는 클래스 접근 지정자에 따라 달라진다.

스레드에 국한되지 않고 모든 영역에서 접근 가능한 공유된 영역이다.

실행 엔진 영역

인터프리터

바이트 코드를 한줄식 실행한다.

JIT 컴파일러

인터프리터의 효율을 높이기 위해, 인터프리터가 반복되는 코드를 발견하면 JIT 컴파일러로 반복되는 코드를 모두 네이티브 코드로 바꿔둔다. 그 다음부터 인터프리터는 네이티브 코드로 컴파일 된 코드를 바로 사용한다.

GC (Garbage Collector)

더이상 참조되지 않는 객체를 모아서 정리한다.

자바 바이트코드

바이트코드를 만드는 순서는 다음과 같다. java 파일을 생성후 class 파일로 변환한다. class 파일은 bytecode 로 되어있기 때문이 txt 형식이 아니어서 우리가 눈으로 읽을 수 없으므로, javap 라는 역어셈블리 명령어를 통해 어떻게 코드가 해석되었는지 확인할 수 있다.

1. HelloJava.java 코드생성

public class HelloJava {
  public static void main(String args[]) {
    System.out.println("hello");
  }
}

2. 바이트코드 변환

javac HelloJava.java

3. 바이트코드 확인

javap -c HelloJava

Compiled from "HelloJava.java"
public class HelloJava {
  public HelloJava();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #13                 // String hello
       5: invokevirtual #15                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}