자바의 특징

이 글은 '자바의 정석'의 내용을 기반으로 공부한 내용을 덧붙인 글입니다.

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JAVA 특징

1. 운영체제에 독립적이다.

기존의 언어는 한 운영체제에 맞게 개발된 프로그램을 다른 종류의 운영체제에 적용하기 위해서는 많은 노력이 필요했지만, 자바는 *자바가상머신(JVM)을 사용하기 때문에 많은 노력이 필요하지 않다.

사진을 보면 다른 언어로 작성한 Test.c라는 파일을 컴파일하여 각 플랫폼에 맞는 형태로 변환해 사용하는 것을 알 수 있다.

** 즉 컴파일 플랫폼과 타깃 플랫폼이 다를 경우에는 프로그램이 동작하지 않는다. **

그러나 자바 응용프로그램은 운영체제나 하드웨어가 아닌 JVM 하고만 통신하고 JVM은 전달받은 명령을 해당 운영체제가 이해할 수 있도록 변환하여 전달한다.

Java에서는 C언어와는 달리 JVM을 사용하기 때문에 각자의 플랫폼에 맞게끔 컴파일을 따로따로 해줘야 할 필요가 없다.

즉 리눅스의 JVM과 윈도우의 JVM은 서로 다르다.

단 자바로 작성된 프로그램은 운영체제에 독립적이지만 JVM은 운영체제에 종속적이다.

그래서 자바로 작성된 모든 프로그램은 자바 가상 머신에서만 실행될 수 있으므로, 자바 프로그램을 실행하기 위해서는 반드시 자바 가상 머신이 설치되어 있어야 한다.

2. 객체지향언어이다.

객체지향개념의 특징인 상속, 캡슐화, 다형성이 잘 적용되어 있다.

3. 멀티쓰레드를 지원한다.

자바가 지원하는 멀티쓰레드 프로그램은 시스템과 관계없이 구현가능하며, 관련된 라이브러리(JAVA API)가 제공되므로 구현이 쉽다.

4. 동적 로딩(Dynamic Loading)을 지원한다.

자바는 동적 로딩을 지원하기 때문에 실행 시에 모든 클래스가 로딩되지 않고 필요한 시점에 클래스를 로딩하여 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그 외에는 일부 클래스가 변경되어도 전체 애플리케이션을 다시 컴파일하지 않아도 되며, 변경사항이 발생해도 비교적 적은 작업으로 처리할 수 있는 유연한 애플리케이션을 작성할 수 있다.

5. 자동 메모리 관리(Garbage Collection)

자바로 작성된 프로그램이 실행되면, 가비지 컬렉터가 자동적으로 메모리를 관리해 주기 때문에 프로그래머는 메모리를 따로 관리하지 않아도 된다.(JVM 전체구조 (3)을 참고)

JVM(Java Virtual Machine)이란?

JVM은 자바를 실행하기 위한 가상 기계

자바 소스 파일(.java)은 자바 컴파일러에 의해서 바이트 코드 형태인 클래스 파일(.class)이 된다. 그리고 이 클래스 파일은 클래스 로더가 읽어 들이면서 JVM이 수행된다.

일반 애플리케이션의 코드는 OS만 거치고 하드웨어로 전달되는데 비해 JAVA애플리케이션은 JVM을 한 번 더 거치고 하드웨어에 맞게 완전히 컴파일된 상태가 아닌 실행 시에 해석(Interpret)되기 때문에 속도가 느리다는 단점이 있었다.

그러나 현재는 JIT컴파일러의 최적화 기술이 향상되어 속도적인 측면이 많이 개선되었다.
(JVM 전체구조 (2)에서 설명)

JVM 동작 순서

1. 자바로 개발된 프로그램을 실행하면 JVM은 OS로부터 메모리를 할당
2. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 자바 바이트코드(.class)로 컴파일
3. Class Loader를 통해 JVM Runtime Data Area로 로딩
4. Runtime Data Area에 로딩 된 .class들은 Execution Engine(실행엔진)을 통해 해석
5. 해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area의 각 영역에 배치되어 수행하며 이 과정에서 Execution Engine에 의해 GC의 작동과 쓰레드 동기화가 이루어짐

JVM 전체구조

(1) Class Loader

JVM 내로 클래스 파일을 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈이다. 프로그램이 실행 중인 런타임 시에 동적으로 클래스를 로드한다.

과정을 간략화 해보자면

자바 -> .java소스 생성 -> 컴파일러 -> .class파일 생성 -> JVM(Class Loader)이 .class파일을 Runtime Data Area로 적재

로 정리할 수 있다.

(2) Execution Engine(실행엔진)

클래스 로더를 통해 JVM 내의 Runtime Data Area에 배치된 바이트 코드들(.class)을 명령어 단위로 읽어서 실행한다.

위에 언급했듯이 JVM이 나왔을 당시에는 *인터프리터 방식이었기때문에 속도가 느리다는 단점이 있었지만 JIT 컴파일러 방식을 통해 개선에 성공했다.

JIT는 바이트 코드를 *어셈블러 같은 네이티브 코드로 바꿈으로써 실행이 빠르지만 변환과정에서 비용이 발생하는 단점이 생겼다.

때문에 JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고, 인터프리터 방식을 사용하다가 일정한 기준이 넘어가면 JIT 컴파일러 방식으로 실행한다.

*인터프리터
소스프로그램을 한 줄씩 기계어로 해석하여 바로 실행하는 방식
ex) 스크립트 언어(자바스크립트)

*어셈블리
컴퓨터가 알아들을 수 있는 기계어와 1대 1로 대응이 되는 컴퓨터 프로그래밍의 저급 언어.
컴퓨터는 0과1만 인식할 수 있는데, 이를 사람이 이해하기 쉽게 약간 변형하여 만든 언어
어셈블리어로 작성된 원시 프로그램을 기계어로 된 목적 프로그램으로 번역하는 프로그램

(3) Garbage Collector

Garbage Collector(GC)는 힙 메모리 영역에 생성된 객체들 중에서 참조되지 않은 객체들을 탐색 후 제거하는 역할을 한다.

자바의 특징 중의 한 가지로 프로그래머가 메모리 관리에 신경 쓰지 않고 프로그래밍에 집중할 수 있게 해준다.

(4) Runtime Data Area

JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역이다.

이 영역은 크게 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC Register, Native Method Stack로 나눌 수 있다.

JVM의 메모리 구조(Runtime Data Area)

 

(1) 메서드 영역(Method Area)

프로그램 실행 중 어떤 클래스가 사용되면, JVM은 해당 클래스의 클래스파일(*.class)을 읽어서 분석하여 클래스에 대한 정보(클래스 데이터)를 이곳에 저장한다.

이때 데이터 타입, 접근 제어자 정보와 같은 각종 필드 정보들과 클래스의 클래스변수, static변수, final class 등의 변수가 생성되는 영역이다.

모든 쓰레드가 공유해서 사용하며, GC의 대상이 된다.

(2) 힙(heap)

인스턴스가 생성되는 공간
프로그램 실행 중 생성되는 인스턴스는 모두 이곳에 생성된다.
즉  new 키워드로 생성된 객체와 배열이 생성되는 영역(인스턴스변수)가 생성되는 공간이다.

모든 쓰레드가 공유해서 사용하며, GC의 대상이 된다.

(3) 스택영역(call stack 또는 execution stack)

지역변수, 파라미터, 리턴 값, 연산에 사용되는 임시 값 등이 생성되는 영역이다.

스택영역은 메서드의 작업에 필요한 메모리 공간을 제공한다.

메서드가 호출되면, 호출스택에 호출된 메서드를 위한 메모리가 할당되며, 이 메모리는 메서드가 작업을 수행하는 동안 지역변수(매개변수 포함)들과 연산의 중간결과 등을 저장하는 데 사용된다.

그리고 메서드가 작업을 마치면 할당되었던 메모리공간은 반환되어 비워진다.

각각의 쓰레드마다 하나씩 생성하여 사용한다.(쓰레드마다 작업공간이 생기는 거라고 생각하면 쉽다)

스택의 특징을 정리하면 다음과 같다.

1. 메서드가 호출되면 수행에 필요한 만큼의 메모리를 스택에 할당받는다.
2. 메서드가 수행을 마치고 나면 사용했던 메모리를 반환하고 스택에서 제거된다.
3. 호출스택의 제일 위에 있는 메서드가 현재 실행 중인 메서드이다.
4. 아래에 있는 메서드가 바로 위의 메서드를 호출한 메서드이다.

(4) PC 레지스터 (PC Register)

Thread가 생성될 때마다 생성되는 영역으로 프로그램 카운터, 즉 현재 스레드가 실행되는 부분의 주소와 명령을 저장하고 있는 영역이다.

(5) 네이티브 메서드 스택 (Native Method Stack)

자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 네이티브 코드를 실행할 때 사용되는 메모리 영역으로 일반적인 C 스택을 사용한다.
보통 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택을 말하며 (JNI) 자바 컴파일러에 의해 변환된 자바 바이트 코드를 읽고 해석하는 역할을 하는 것이 자바 인터프리터(interpreter)이다.
공부하면서 많은 참고를 했던 좋은 글들을 적어놓습니다.

[Java] 자바 가상머신 JVM(Java Virtual Machine) 총정리

 

[Java] 자바 가상머신 JVM(Java Virtual Machine) 총정리

https://coding-factory.tistory.com/828

[Java] 자바 JVM 내부 구조와 메모리 구조에 대하여

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