Java 런타임에 대하여

이번 글에서는 JVM이 무엇인지 어떤 역할을 하는지 JVM내에 어떤 일이 일어나는지 등 알아보려고 합니다.

목차

1. 런타임?
2. JVM
   1. 스택기반 vs 레지스터기반
   2. JIT
   3. JVM 구조
3. JDK, JRE

런타임?

런타임이란 말 글대로 프로그램에서 실행되고 있는 동안의 동작을 말합니다. 자바에서 런타임은 어떤 과정으로 이루어져 있을까요? 아래 순서를 적어봤습니다.

1. JDK를 통해 바이트코드를 생성합니다.
2. 생성된 바이트코드를 JRE에 넘겨줍니다.
3. JRE를 사용해서 바이트코드를 JAVA 명령어로 실행하라고 합니다.
4. 그러면 JVM이 실행시킵니다.

이런 과정으로 자바 파일이 실행되어집니다. 그럼 이제부터 본격적으로 궁금한 키워드 JDK, JRE, JVM이 무엇인지 공부해 봅시다.

JVM

Java는 스택 기반 가상 머신으로 특정 OS에 독립적이라고 많이 말합니다. 그 이유는 JVM이 내부에서 특정 OS에 맞게 자바 언어를 Interpreter나 JIT를 가지고 기계어로 변환시켜 주기 때문입니다. 이 말은 JVM이 특정 OS에 종속된다는 뜻입니다. 하지만 JAVA는 JVM 때문에, 위와 같이 독립적인 성향을 가집니다.

여기서 궁금한 점! 스택 기반은 무엇이고, JIT, Interpreter들은 무엇일까요?

가상 머신의 종류 : 스택 기반? 레지스터 기반?

• 스택 기반
  • 스택기반은 스택을 이용해 연산을 하는 방법입니다. 피연산자를 POP 하고 연산해 PUSH 하는 구조로 이루어져 있습니다.
  • PUSH, POP을 이용한 연산이기 때문에 메모리가 따로 필요 없다는 장점을 가지고 있습니다.
  • 스택을 이용하기 때문에 레지스터 기반보다 느리다는 단점을 가지고 있습니다.
• 레지스터 기반
  • 레지스터 기반은 주소를 이용해 연산을 하는 방법입니다. CPU 레지스터에 저장시키고 주소를 가지고 와 연산하는 방식입니다.
  • 주소만 가지고 연산하는 방식이기 때문에 스택 기반보다 빠르다는 장점이 있습니다.
  • 하지만 주소를 저장해야 하기 때문에 메모리 확보와 주소를 명시해야 하는 단점이 있습니다.

JIT

JIT는 Just-In-Time의 약자로 JVM에서 기계어를 실행시키는 방법 중에 하나입니다. 즉 JVM은 Interpreter와 JIT를 같이 사용하고 있습니다. 그럼 왜 JIT가 나왔을까요?

• 인터프리터 언어 vs 컴파일 언어

이 그림은 파이썬과 자바의 동작 과정을 그림으로 표현한 도식화입니다. 이 둘의 차이점은 무엇일까요? 바로 파이썬은 인터프리트 방식을 한 번만 거치고 자바는 컴파일과 인터프리터 방식 둘 다 거칩니다. 여기서 컴파일 방식은 소스코드를 한꺼번에 기계어로 변환하는 방식이고 인터프리터 방식은 런타임시에 한 줄씩 읽어 기계어로 변환하는 것을 말합니다.

그렇다면 이 둘의 속도는 어떤 것이 더 빠를까요?

파이썬은 인터프리터 방식을 한 번만 거치고 자바는 컴파일과 인터프리터를 둘 다 거치기 때문에 파이썬이 더 빠르다.

바로 이 과정 때문에 한때 자바는 느린 언어라는 낙인이 찍혔습니다. 따라서 자바는 이 낙인을 벗어나기 위해 이러한 생각을 하게 되었습니다.

이미 번역한 소스코드를 저장해 보면 어떨까?

이 방식이 바로 JIT 컴파일러 방식입니다. 정확히 말하면 컴파일된 코드를 일정 부분 끊고 그 안에 중복이 있으면 저장소에서 꺼내와 기계어로 변환시켜 주는 방식입니다. 저장소에서 가지고 온 코드는 다시 번역할 필요가 없기 때문에 속도가 빨라집니다. 이 방식 때문에 현재 자바는 다른 언어 성능에 크게 뒤처지지 않는다고 합니다.

JVM의 구조

JVM의 구조는 어떻게 이루어져 있을까요?

1. 클래스 로더
2. JVM 메모리 (메서드 영역, 힙 영역, 스택 영역, PC 레지스터, 네이티브 메소드 스택)
3. 실행 엔진 (GC, JIT, Interpreter...)

(출처 - 위키 백과)

위에 그림과 같이 이러한 구조로 이루어졌습니다. 그럼 하나씩 살펴 볼가요?

1. 클래스 로더

클래스 로더는 클래스를 읽어와 메모리 메서드에 배치시키는 역할을 합니다. 로딩 -> 링크 -> 초기화 이러한 과정을 거치고 ClassNotFoundException 예외가 바로 클래스 로더 지점에서 발생되는 예외입니다.

2. JVM 메모리 영역 (RunTime Data Area)

메모리 영역은 다음과 같은 구조로 이루어져 있습니다.

• Thread 영역
  • PC Registers - 스레드가 어떤 부분을 어떤 명령어로 수행하는지에 대해 기록하는 영역입니다.
  • Native Method - 자바 외 언어를 수행시키기 위한 메모리 영역입니다.
  • JVM Stack - 스레드마다 스택을 만들어 프레임을 저장시킵니다. 즉 메서드 하나를 호출할 때마다 새 프레임이 생성되어 스택에 쌓이고, 메소드 호출이 완료되면 프레임은 스택에서 빠져나와 소멸됩니다. 또한 스레드가 종료되면 스택도 제거됩니다.
• Heap 영역
  • 인스턴스화된 클래스의 배열이나 객체를 저장하는 공간입니다.
  • 이 공간의 들어있는 자원은 스레드의 공유 자원이고 힙에 할당된 메모리 회수 권한은 GC에 의해서만 회수가 가능합니다.
• Method 영역
  • 필드 정보, 메서드 정보, 타입 정보 등 클래스 수준의 정보를 저장하는 공간입니다.
  • 메소드 영역은 힙의 일부여서 GC 대상이 되지만 JVM을 만든 회사마다 다르기 때문에 힙 영역과 합쳐서 이야기를 하지 않는다고 합니다.

3. 실행 엔진

실행 엔진은 클래스 로딩 과정을 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 수행하는 구간입니다. 즉 여기서 JIT, Interpreter가 실행됩니다.

Q) JNI, 네이티브 메서드는 무엇일까요?

• JNI는 네이티브 메소드 라이브러리르 호출할수 있는 방법을 제공합니다.
• 네이티브 메소드 JVM에서 C, C++, 어셈블리어로 구축한 네이티브 함수를 말합니다.
  (예를 들어 native 키워드를 사용해서 네이티브 메소드로 작성할 수 있습니다.)

JDK, JRE

이제 JVM에 내부적인 구조와 동작을 공부했다면 JDK, JRE에 대해 알아보도록 하겠습니다.

JDK란?

JDK는 Java Development Kit으로 자바 프로그램을 개발하고 필요한 툴들을 모은 소프트웨어 패키지입니다. 즉 자바 프로그램을 작성하고, JRE를 실행하는데 필요한 도구, java를 컴파일시키는 Javac 등을 가지고 있습니다.

JRE란?

JRE는 자바 프로그램 동작시 필요한 환경을 제공해 주는 패키지입니다. 즉 자바 프로그램을 구동시키기 위해 사용됩니다. JRE는 클래스 라이브러리, JVM, 여러 Supporting 파일들을 가지고 있습니다.

JDK vs JRE

그럼 이 둘의 차이점은 무엇일까요? 한번 표로 정리해 봤습니다.

	JDK	JRE
정의	개발자들을 위해 필요한 툴과 JRE를 합쳐 배포한 패키지 키트	자바 어플리케이션을 실행시키기 위해 최소 단위로 배포한 패키지
사용 용도	소스 코드를 작성하기 위해 사용	소스 코드를 읽기 위해 사용
내부 구조	JRE, JVM	JVM
버전 지원	모든 버전 지원	JAVA 11부터 지원 x