[JVM] JVM이란

1. JVM이란

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• JVM은 Java Vertual Machine의 약자로 ‘자바를 실행하기 위한 가상 기계’를 말한다.
  

JVM은 왜 사용하는 걸까

JVM은 자바 애플리케이션을 운영체제와 상관없이 실행^💬시킬 수 있도록 해주고 정확하게는 Java라는 언어가 JVM으로 인해서 OS에 독립적이라는 것이다. JVM자체로는 OS마다 정의된 실행방법을 따르기 때문에 JVM 자체는 OS에 종속적이다.
프로그램 메모리를 관리하고 최적화를 해준다.

자바로 작성된 애플리케이션은 JVM을 통해 실행되기 때문에 반드시 JVM이 필요하다.
위의 사진처럼 OS로 전달되기 전에 JVM을 거쳐 해석되고 실행되기 때문에 속도가 느리다는 단점이 있다.
하지만 최근에는 JIT 컴파일러의 성능 향상과 최적화 기술의 발달로 속도 저하가 많이 줄었다.
반면에 OS와 HW에 독립적이라는 특징 때문에 WORA^💬 Write Once Run Anywhere 가 실현이 가능하다.

WORA에 대해 참고한 블로그 글

2. JVM의 구조와 동작과정

JVM의 구조

JVM은 크게 Runtime Data Area, Garbage Collector, Execution Engine, Class Loader의 4가지 영역으로 나뉜다.

• Runtime Data Area
  JVM의 메모리 영역으로 응용프로그램이 실행되면 OS로부터 별도의 메모리 공간을 할당받고
  JVM은 할당받은 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리하게 된다.
  메모리 영역은 Method Area, Heap Area, Stack Area, PC register, Native Method Stack으로 나뉜다.
  Runtime Data Area에 대한 자세한 내용은 따로 정리한 글인 JVM의 메모리 구조에서 볼 수 있다.

• Garbage Collector
  GC는 JVM 상에서 메모리 관리를 위해 더 이상 사용되지 않는 데이터가 할당되어 있는 메모리를 해제시켜주는 역할을 한다.
  GC가 메모리를 해제하는 대상은 Runtime Data Area의 Heap 영역의 객체 중에서 참조되지 않은 데이터이다.
  JVM에서 자동으로 동작하기 때문에 특별한 경우가 아니면 메모리 관리를 개발자가 직접 해줄 필요가 없다.
  GC만으로도 내용이 많기 Java의 Garbage Collector에서 GC에 대해 자세히 알아보자.

• Class Loader
  컴파일 과정을 거쳐 생성된 .class 파일들을
  Class Loader가 운영체제에 의해 메모리를 할당받은 Runtime Data Area로 적재하는 역할을 한다.
  자세한 내용은 Java의 Class Loader에 정리해놨다.

• Execution Engine
  Class Loader에 의해 Runtime Data Area로 적재된 .class 파일들을 하나의 명령 단위로
  읽어서 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하고 명령을 실행한다.
  Interpreter 방식과 JIT^💬Just-In-Time방식이 존재한다.
  Interpreter와 JIT

JVM의 동작 과정

JVM의 동작과정을 알아보자.

사진처럼 우리가 작성한 자바 코드는 (*.java)라는 확장자로 컴퓨터에 저장이 된다.
(*.java)는 CPU가 인식을 하지 못하므로 기계어로 바꿔줘야 한다.
하지만 java는 앞서 말했듯이 JVM을 거쳐 OS에 도달하기 때문에 OS가 인식하는 기계어가 아니라
JVM이 인식할 수 있는 Java Bytecode(*.class)로 변환된다.
이 과정을 컴파일 과정이라하며 여기서 Java Compiler가 동작한다.

💡 Java Compiler는 JDK에 포함되어 있는 javac.exe 를 말한다.
  bin 폴더에 가보면 확인할 수 있다.

윈도우의 명령 프롬프트(cmd)를 이용해 컴파일을 할 수 있다. (*.java) 파일이 저장된 위치로 이동 후

이렇게 입력해주면 컴파일이 되어 (*.class) 파일이 생성된다.
변환된 java bytecode는 마찬가지로 기계어가 아니기 때문에 OS바로 실행되지 않고
JVM이 OS에 맞춰 java bytecode를 이해할 수 있도록 해석해 실행된다.

이 과정에서 앞서 언급했던 Runtime Data Area, Garbage Collector, Execution Engine, Class Loader도 작동한다.

결과적으로 우리는 java 파일만 만든다면 어느 디바이스에서든 OS와 상관없이 실행이 가능한 것이다.

3. JVM, JRE, JDK의 차이

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JVM을 공부하면 당연히 따라오는 것이 JDK와 JRE이다.
JVM은 위에서 설명했으므로 JRE와 JDK가 무엇을 의미하는지 알아보자.

JRE

JRE는 자바 런타임 환경 ^💬 런타임 환경
어떠한 소프트웨어를 실행시키기 위한 또다른 소프트웨어. (Java Runtime Enviroment) 이라는 의미이다.
따라서, JRE는 Java가 동작하는데 필요한 다양한 구성요소를 포함한다.

JRE의 구조

JRE는 여러 요소로 이루어진 컨테이너이다.
크게 Class Libraries, Class Loader, Java Vertual Machine으로 이루어져 있다.

• Class Loader
  Class Loader는 사실 엄밀히 말하자면 JVM에 속하지 않는다.
  JVM과 밀접한 관련이 있어서 JVM과 밀접한 관련이 있어서 JVM을 설명할 때 필수적으로 언급되지만
  정확하게는 JRE에 속해 있는 것이다.
  위에서 언급한 내용이므로 Pass !

• Class Libraries
  JRE는 애플리케이션과 서비스 간에 완벽한 데이터 연결을 구축할 수 있도록 지원하는 다수의 통합 라이브러리를 제공한다.

• JVM
  위에서 설명한 JVM은 JRE에 포함되어 있다.

JDK

JDK는 Java Development의 약자로 자바 개발 키트를 의미한다.
JRE와 javac등의 컴파일러, 디버거 등을 포함하는 프로그램이다.

JDK 포함관계 도식도

JDK 구성

• apt : 어노테이션 툴
• appletviewer : 다른 개발 툴 없이도 자바 애플릿을 실행시키고 디버깅할 수 있는 툴
• jdb : 자바 디버깅 툴
• javac : 자바 컴파일러 이 외에도 여러가지 개발 툴이 더 존재한다.

JDK 종류

1. Java SE (Java Platform Standard Edition)
   표준 자바 플랫폼, 표준적인 컴퓨팅 환경을 제공하기 위한 가상머신 규격 및 API집합을 포함한다.
   자바라는 언어가 어떤 문법적 구성을 가졌는지와 같은 것들을 정의하고 있다.
   구체적인 소프트웨어가 아니고 그 소프트웨어의 설계도라고 할 수 있다.

2. Java EE (Java Platform Enterprise Edition)
   Java SE에 웹 어플리케이션 서버에서 동작하는 기능을 추가한 플랫폼이다.

3. Java ME (Java Platform Micro Edition)
   조금 더 제한된 자원을 가진 휴대전화, PDA 등에서 Java 프로그래밍 언어를 지원하기 위해 만들어진 플랫폼이다.

결론

• JDK는 개발을 하기 위한 툴을 제공해준다.
• JRE을 통해 JRE가 설치되어 있다면 어느 환경에서든 실행할 수 있다.