자바 이해하기

2023.02.15

 

Java

• ‘객체지향 언어’ 로 객체지향 언어의 중심에는 클래스(Class)가 있음

   

  C++은 클래스 없이도 개발이 가능하기 때문에 객체지향지원 언어라고 부르기도 함
• 단 하나의 소스 파일로 모든 기종의 컴퓨터에서 실행이 가능(운영체제에 구애받지 않고 개발)

 

 

Java 버전별 차이

 

• LTS(Long-term Support) : 장기 지원 버전은 후속 버전이 출시되어도 일정 기간 동안 지원을 지속
• non-LTS  : 후속 버전이 출시되면 지원이 종료

안정적인 시스템 운용 및 호환을 위해서는 LTS 버전을 사용하는 경우가 많음

 

 

 

JDK, JRE, JVM의 차이

JDK(Java Development Kit) : 자바 개발 도구

• Java 어플리케이션 개발을 위해 반드시 필요하며, 사람이 작성한 소스 코드를 번역하여 컴퓨터가 이해할 수 있는 바이트 코드로 변환하는 도구인 Java 컴파일러가 포함되어 있음

• 일반적으로 OpenJDK + 제조사의 부가 기능 으로 구성

• JDK에는 JRE가 포함되어 있기 때문에 별도로 분리하여 설치할 필요 없음

 

JRE(Java Runtime Environment) : 자바 실행 환경

• Java로 컴파일 된 어플리케이션을 실행하는 역할

   

JVM(Java Virtual Machine) : 자바 가상 기계

• 모든 Java 어플리케이션은 JVM이라고 하는 가상의 컴퓨터 공간에서 실행되며, Windows, Linux, Mac 등 어떠한 운영체제라도 JVM이 설치되어 있다면 Java 어플리케이션을 실행할 수 있음 

 

 

컴파일 이란?

• 사람이 이해하는 언어를 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어(기계어)로 바꿔주는 과정

• 주어진 언어로 작성된 컴퓨터 프로그램을 다른 언어의 동등한 프로그램으로 변환하는 과정.

이와 같은 컴파일의 기능을 수행하는 것을 컴파일러라고 부름

 

 

 

IntelliJ 디렉토리 구조

Java 소스 코드는 컴파일이라는 번역 작업을 통해서 out 이라는 디렉토리에 [파일명].class 라는 형태로 저장

 

 

 

Java 프로그램의 실행 과정

main 함수로 진입한 후 작성된 소스의 작업을 모두 수행하면 main 함수가 종료(프로그램의 종료를 의미)

 

1. 자바 소스파일(.java) 실행
2. JDK가 제공하는 javac(컴파일러)를 사용하여 소스파일을 컴파일함
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

 

 

Class Loader

• 프로그램 상의 작성한 모든 클래스, 변수 및 메서드의 정보를 Method Area에 배치

• JVM 내부에 바이트 코드를 로드하고 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈

• 실행될 때 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내부에 저장되어 있는 클래스들을 JVM에 로드

• static(정적) 변수와 메서드는 Heap Area에 배치

 

 

Execution(실행 엔진)

• Interpreter는 바이트 코드를 한줄 씩 읽고 번역해 주는데 느리다는 단점이 존재

  이를 보완하기 위해 나온 것이 JIT 컴파일러

• JIT 컴파일러는 Interpreter 방식으로 실행을 하다가 적당한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 캐싱

• 캐싱 즉, 컴파일된 코드를 저장해 두기 때문에 이 코드들은 Interpreter를 통해 실행되는 것이 아니라 바로 실행(때문에 실행 속도가 매우 빠름)

• Garbage Collector는 사용되지 않는 메모리를 추적하여 비워주는 기능

 

 

Compile 언어와 Interpreter 언어

Compile 언어

소스파일 전체를 컴파일 한 후 기계어를 CPU와 메모리를 통해 읽어서 바로 실행하는 방식으로 동작이 되는 언어

(C, C++, Java, C# ...)

 

  특징

• 소스파일의 크기가 크면 컴파일 과정이 오래 걸릴 수 있음
• 컴파일이 된 후에 기계어로 바로 실행되기 때문에 실행 속도가 빠름
• Java는 javac에 의해 바이트코드로 컴파일 되지만 JVM에서는 인터프리터로 실행 (Compile 언어이지만, Interpreter 언어의 특징을 동시에 가짐)

 

Interpreter 언어

소스파일을 컴파일하지 않고서 Interpreter를 사용하여 소스파일을 한줄 씩 번역하면서 실행하는 방식으로 동작이 되는 언어 (Javascript, Ruby, Python ...)

 

  특징

• 컴파일 언어처럼 별도의 목적파일이 존재하지 않음
• 컴파일 과정 없이 바로 실행되기 때문에 수정 및 디버깅시 편함
• Interpreter 만 존재하면 어디서든지 실행이 가능하기 때문에 자유롭고 독립적임
• 실시간으로 번역 되면서 실행되기 때문에 실행 속도가 느림

 

 

JVM 구조

 

 

전처리과정 이해하기

JRE는 프로그램을 실행하기 전에 먼저 프로그램에 메인 메서드를 포함하고 있는지 확인하고 존재한다면 JVM을 부팅함
부팅이된 JVM은 전달받은 코드를 실행 시키는데 이때 가장 먼저 하는 일이 전 처리라고 하는 과정

 

 

전 처리 과정

모든 Java 프로그램은 반드시 java.lang 패키지를 포함함

JRE는 해당 패키지를 Method Area에 배치

 

 JVM은

• 프로그램이 사용하기위해 import한 패키지
• 프로그램 상의 작성한 모든 클래스, 변수 및 메서드의 정보

를 Method Area에 배치

static(정적) 변수와 메서드는 Heap Area에 배치

 

 

Runtime Data Areas (Java 8 이후기준)

컴퓨터에서 메모리 같은 역할을 수행하는 영역

자바 프로그램을 실행하여 발생하는 데이터를 저장하는 역할, 데이터의 속성에 따라 영역이 분리되어 있음

 

 

PC Register

 

• 스레드가 시작될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재
• 스레드가 어떤 명령에 의해 실행되어야 할지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행을 하고 있는 JVM의 명령 주소를 갖고 있음

 

스레드(thread)란?

프로세스(실행 중인 프로그램) 내부에서 실제로 작업을 수행하고 있는 주체

멀티 프로세스(multi-threaded process) : 2개 이상의 스레드를 가지고 있는 프로세스

 

 

Native Method Stack

• 자바 프로그램이 컴파일 되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역
• 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 코드를 실행할 때, Native Method Stack이 할당 되며, 일반적인 C 스택을 사용함
• Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장됨
• 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역

 

Method Area(Metaspace, Static Area, Class Area)

• 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 공간
• 클래스의 타입, 변수 및 메서드등의 정보를 가지고 있으며 모든 Thread가 공유함
• Runtime Constant Pool  : 상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행

 

 

Heap Area

객체(인스턴스)가 생성되는 영역. 프로그램을 실행하는 중 생성되는 객체들은 모두 이곳에 생성됨

 

Permanent Generation

• 생성된 객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간
• 클래스 로더에 의해 로드되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역이며 JVM에 의해 사용됨
• Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용됨
• Java 8 이전에는 Permanent Generation 이 Heap 내부에 존재 했지만 8 이후 제거되고 Method Area 즉, Metaspace 라 불리우며 Heap이 아닌 Native 메모리 영역에 저장됨
• 이전에 제한된 메모리 크기 때문에 발생했던 한계점을 극복하기 위해 변경되었음

Reflection?

• 객체를 통해 클래스의 정보를 분석해 내는 프로그래밍 기법
• 구체적인 클래스 타입을 알지 못해도, 컴파일된 바이트 코드를 통해 역으로 클래스의 정보를 알아내어 사용할 수 있음

 

New/Young Generation

• Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간
• Survivor 0,1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간
• 생명 주기가 짧은 객체를 Garbage Collector 의 대상으로 하는 영역
• Eden 영역에 객체가 가득차게 되면 Garbage Collector에 의해 Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 객체들을 삭제

 

Tenured Generation

• Old : 이곳의 객체들은 Garbage Collector 에 의해 삭제됨
• New/Young Generation 에서 일정시간 참조되고 있고 살아남은 객체들이 저장되는 공간
• 생명 주기가 긴 객체를 Garbage Collector 의 대상으로 하는 영역

 

 

Stack Area

 

• 프로그램 실행 과정에서 임시로 할당이 되었다가 메서드를 빠져나가면 바로 소멸이 되는 특성의 데이터들을 저장하기 위한 영역
• 실행되는 메서드 및 중괄호 블록(if문등)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 부릅니다. 해당 메서드를 실행하기 위한 변수 및 블록이 존재하면 스택 프레임 내부에 스택 프레임이 생길 수 있음
• 가장 큰 특징은 멀티 스레드 환경에서 각 스레드가 고유의 스택 영역을 가짐