Java의 동작 원리

 

Java는 OS에 종속적이지 않다!!

 

자바의 특징 중 유명한 말이 하나 있다.

"Write once, run anywhere." (한 번 작성하면 어디서든 실행된다.)

 

우리는 Window, Mac, Linux 등 모든 환경에서 자바 코드로 작성된 파일을 실행할 수 있다.

 

🤔그것이 어떻게 가능할까?

일반 애플리케이션의 코드는 OS만 거치고 하드웨어로 전달되므로 OS에 종속적이다.

=> 즉, 다른 OS에서 실행시키기 위해서는 애플리케이션을 그 OS에 맞게 변경해야 한다.

 

하지만 Java 애플리케이션은 JVM 하고만 상호작용을 하기 때문에 OS와 하드웨어에 독립적이다.

=> 다른 OS에서도 프로그램의 변경 없이 실행 가능!

 

🤔그렇다면 JVM이 OS에 종속적이지 않나?

맞다.

JVM은 OS에 종속적이기 때문에 해당 OS에서 실행 가능한 JVM이 필요하다.

 

✅ 정리

각 종류의 컴퓨터마다 JVM이라는 전담 통역센터가 있다.

우리가 Java로 작성한 코드가 JVM을 거쳐서 컴퓨터가 알아들을 수 있게 통역되어 실행된다고 보면 된다.

 

 ⭐ JVM이란?

Java Virtual Machine의 줄임말
즉, 자바를 실행하기 위한 가상 기계(컴퓨터)를 의미한다.

 

기계어, BinaryCode(이진코드), Bytecode(바이트코드)

⭐ 기계어

CPU가 직접 해독하고 실행할 수 있는 비트 단위로 쓰인 컴퓨터 언어

- 0과 1로 이루어진 바이너리 코드
- 기계어가 이진코드로 이루어졌을 뿐 모든 이진코드가 기계어인 것은 아니다.
- 기계어는 특정한 언어가 아니다. (CPU 제조사에서 CPU를 만들 때 해당 CPU에서 사용하는 명령어 집합을 공개하는데, 이것을 '기계어'라고 한다.)

⭐ BinaryCode(이진코드)

컴퓨터가 인식할 수 있는 0과 1로 구성된 이진코드

⭐ ByteCode(바이트코드)

가상 컴퓨터(VM)에서 돌아가는 실행 프로그램을 위한 이진 표현법

-  JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미
- 자바 컴파일러에 의해 변환되는 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트 코드라고 불린다.
- 확장자: <.class>
- 자바 가상 머신(JVM)이 설치되어 있으면, 어떤 운영체제에서라도 실행될 수 있다.
- JIT(Just In Time) 컴파일러에 의해 바이너리 코드로 변환된다.

 

즉, CPU가 이해하는 언어는 바이너리 코드로 이루어진 기계어, 가상 머신이 이해하는 코드는 바이트 코드이다.

 

JIT 컴파일러

 

JIT 컴파일(just-in-time compilation) 또는 동적 번역(dynamic translation)은 프로그램을 실제 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법이다.

⭐ 인터프리터(Interpreter) 

프로그래밍 언어의 소스 코드를 바로 실행하는 컴퓨터 프로그램 또는 환경
실행 중 프로그래밍 언어를 읽어가면서 해당 기능에 대응하는 기계어 코드를 실행한다.

⭐컴파일러(Compiler) 

특정 프로그래밍 언어로 쓰여 있는 문서를 다른 프로그래밍 언어로 옮기는 언어 번역 프로그램
프로그램 전체를 스캔하여 이를 모두 기계어로 번역한다.

 

JIT컴파일러는 인터프리터 방식의 단점을 보완하기 위해 도입되었다.

 

실행 시점에서 인터프리트 방식으로 기계어 코드를 생성하면서 그 코드를 캐싱하여, 같은 함수가 여러 번 불릴 때 매번 기계어 코드를 생성하는 것을 방지한다.

 

자바 컴파일러가 자바 프로그램 코드를 바이트코드로 변환한 다음, 실제 바이트코드를 실행하는 시점에서 자바 가상 머신이 바이트코드를 JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환한다.

 

Java의 컴파일 과정

 

1. Java -> JVM

Java 소스코드, 즉 원시코드(*.java)는 CPU(중앙 처리 장치)가 인식하지 못하므로 최종적으로 기계어로 컴파일을 해줘야 한다.

위에서 본 것처럼 Java 애플리케이션은 바로 OS로 가는 것이 아니라 JVM을 거쳐서 도달하기 때문에 먼저 JVM이 인식할 수 있는 Java bytecode(*.class)로 변환된다.

 

✅ 정리

Java compiler가 .java파일을 JVM이 이해할 수 있는 .class형식의 java bytecode로 변환한다.

 

⭐ Java compiler란?

컴파일(Compile): 사람이 이해하는 언어(원시코드)를 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어(목적코드)로 바꾸어 주는 과정.
위에서 정리한 것과 같이 Java코드를 바이트코드로 바꿔주는 동작을 하는 것을 의미한다.
우리가 흔히 javac이라고 쓰는 것이 java compiler이다.

 

2. JVM -> OS

 bytecode를 실행한 컴퓨터에 깔린 JVM이 기계어로 바꾸어준다.

 

Java 컴파일해보기

 

Java Compiler는 JDK를 설치하면 javac.exe라는 실행 파일 형태로 설치된다. (JDK는 아래에 따로 설명하겠다.)

정확하게는 JDK의 bin폴더에 javac.exe로 존재한다.

 

1. "Hello World"를 출력하는 .java파일 생성 (HelloWorld.java)

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

 

2. javac 명령어로 .java -> .class파일 변환하기 (.java 파일을 생성한 경로에 가서 실행)

javac HelloWorld.java

 

이렇게 HelloWorld.class파일이 생성된 것을 확인할 수 있다.

 

Java 실행하기

java <.class 파일 이름>

java HelloWorld

 

"HelloWorld"가 출력되면서 HelloWorld.class파일이 실행된 것을 볼 수 있다.

 

 

😊 java.exe와 javac.exe의 차이

javac.exe는 위에서 말했든 java compiler로 우리가 작성한 java 소스를  bytecode파일로 바꿔주는 작업을 한다.

java.exe는 bytecode를 기계어로 바꾸기 위해 JVM을 실행시키는 작업을 한다.

 

JDK, JRE, SDK

 

 

 😊 JDK

Java Development Kit (자바 개발 키트)

Java를 사용하기 위해 필요한 모든 기능을 갖춘 Java용 SDK (Software Development Kit)이다.

JDK는 JRE 뿐만 아니라 javac, java와 javadoc 같은 자바 개발 툴을 포함한다.

=> 프로그램을 생성, 실행, 컴파일할 수 있다.

 

 😊 JRE

Java Runtime Environment (자바 런타임 환경)

JVM과 자바 클래스 라이브러리(Java Class Library) 등으로 구성되어 있다.

컴파일된 Java 프로그램을 실행하는데 필요한 패키지이다.

 

 😊 SDK

Software Development Kit (소프트웨어 개발 키트)

 

일반적으로 소프트웨어 기술자가 사용하여 특정한 소프트웨어 꾸러미, 소프트웨어 프레임워크, 하드웨어 플랫폼, 컴퓨터 시스템, 게임기, 운영 체제 등을 위한 응용 프로그램 등을 만들 수 있게 해주는 개발 도구의 집합이다.

 

해당 내용과 밀접하게 관련이 있는 JVM에 대해서는 좀 더 자세히 다음 글에서 다룰 예정입니다🐣

 

Reference

얄팍한 코딩사전

[JAVA] JVM이란? 개념 및 구조 (JDK, JRE, JIT, 가비지 콜렉터...)

JIT 컴파일러 - 위키백과