JVM, JDK, JRE에 대해 설명하기 전에 우선 자바 파일이 어떻게 실행되는지를 먼저 보자
.java확장자를 가진 파일로 자바 코드를 작성한다
프로그램은 바이트코드로 컴파일 되고 자바 컴파일러(javac)는 소스코드를 .class확장자를 가진 파일로 컴파일한다.
이 클래스 파일은 JVM을 활용해 어느 플랫폼에서든 실행할 수 있다
JVM은 바이트 코드를 해당 플랫폼이 실행할 수 있는 native machine code로 변환한다.
JVM
Java Virtual Machine은 java bytecode를 실행하는 가상 머신이다. 이 bytecode는 .java파일을 .class파일로 컴파일링했을때 .class파일안에 내장되게 된다. 즉, JVM은 자바 바이트코드가 실행되는 런타임 환경을 제공하는 명세서이다.
JVM은 여러 발전된 기술을 사용해 자바 애플리케이션의 퍼포먼스를 최적화 하며 이를 위해 state-of-the-art memory모델, garbage collector, adaptive optimizer를 결합해 사용한다.
JVM은 client, server에 대해 조금 다름 작동 방식을 제공한다. Server VM의 경우 최대 연산 속도에 초점을 맞추었다. 빠른 시작 시간보단 빠른 연산이 필요한 long-running server apllication들의 실행에 초점이 맞춰져 있다. 개발자는 -client, -server를 명시함으로써 둘 중 하나를 선택할 수 있다.
JVM이 virtual이라 불리는 이유는 운영체제와 하드웨어 아키텍쳐에 의존하지 않는 machine interface를 제공하기 때문이다. 이는 자바자 가지고 있는 특징 중 하나인 write-once-run-anywhere에 대한 초석이다.
Class loader
class loader는 클래스 파일들을 로딩하는데 사용되는 서브시스템이다. 이는 세가지 함수로 이루어져있다
1. Loading
JVM은 세가지 클래스 로더를 가지고있다. Bootstrap, extionsion, application
클래스를 로딩할때 JVM은 일부 클래스들을 위한 의존성을 찾는다
bootstrap classloader는 클래스를 찾는다. 이는 JRE lib폴더에있는 rt.jar을 스캔한다
만일 클래스를 찾지 못했다면 extention classloader가 jre/lib/ext폴더에 있는 클래스를 검색한다
이때도 클래스를 찾지 못했다면 application classholder가 시스템의 CLASSPATH환경변수에 있는 모든 jar파일과 클래스들을 찾는다.
모든 로더가 클래스를 찾지 못했다면 클래스는 class loader에 의해 로드되거나 ClassNotFoundException을 throw한다.
2. Linking
classloader에 의해 크래스가 로드된 후, linking을 시작한다. 여기에선 Bytecode verifier가 바이트코드가 적합한지를 판단하며 적합하지 않다면 verification error를 반한다. 또 한 클래스에서 찾은 클래스 변수와 메서드에 대해 메모리 할당을 한다.
3. Initialization
class loader의 마지막 과정이다. 여기서는 모든 클래스 변수가 original values로 할당되며 static block이 실행된다.
JVM Memory area
JVm memory area는 각 파트가 특정 애플리케이션 데이터를 담기위해 여러 파트로 나뉘어져있다.
1. Method Area
meta data, constant runtime pool, 메서드에 대한 코드같은 클래스구조들을 담는다
2. Heap
애플리캐이션 실행시에 만들어지는 모든 객체들을 담는다
3. Stacks
로컬변수, 중간 별과(intermediate results)를 담는다. 모든 값들은 그 값들이 만들어진 스레드에 위치한다. 각 그레드는 각자의 JVM stack을 가지고 있고 이는 스레드의 생성과 비슷한 과정으로 생성된다. 따라서 이런 모든 로컬 변수들을 thread-local variables라 부른다
4. PC register
현재 실행되는 각 statement의 물리적 주소를 저장한다. 자바에선 각 그레드가 그들만의 PC register를 가지고 있따.
5. Native Method stacks
자바는 low-level code인 C, C++같은 native코드를 지원한다. 이는 Native Method stack이 관리한다
JVM Execution Engine
JVM에 할당되는 모든 코드는 execution engine에 의해 실행된다. execution engine은 바이트 코드를 읽고 하나씩 실행한다. 이는 내부에 있는 두개의 interpreter와 JIT 컴파일러를 사용해 바이트 코드를 machine code로 변환하고 실행시킨다.
JVM에서 interpreter와 compiler는 모두 native code를 돌출하지만 어떠한 방식으로 native code를 돌출하는지, 얼마으 비용을 사용해 코드를 최적화 하는지에 차이점이 있다
Interpreter
JVM interpreter는 machine instruction mapping으로 사전에 정의된 JVM-instruction을 사용해 각 byte-code instruction을 관련있는 native instruction으로 변환한다. 이는 직접적으로 바이트코드를 실행시키고 어떠한 최적화돋 하지 않는다.
JIT Compiler
퍼포먼스 향샹을 위해 JIT 컴파일러는 런타임에서 JVM과 상호작용을 하고 적절한 바이트코드를 native machine code로 컴파일한다. 통상적으로 JIT컴파일러는 코드를 한 블럭씩(인터프리터 처럼 각 문을 한번에 가져오지 않는다) 가져와 최적화시키고 이를 최적화된 machine code로 변환한다
JIT 컴파일러는 디폴트로 활성화 되어있고 만약 자바 프로그램을 interpret하게 실행할 거면 이를 비활성화 시키면 된다. 만약 프로그램을 진단하거나 JIT compilation problem들을 면하고 싶으면 이를 비활성화 시키지 않는것이 좋다.
JRE
Java Runtime Environment는 libraries(jars), JVM, 자바 애플리케이션을 실행하는데 필요한 다른 요소들을 포함하는 소프트웨어 패키지이다. JVM은 JRE의 한 부분이다.
JRE을 설치하는것은 모든 컴퓨터에서 자바 애플리케이션을 실행가능하게 하기위한 최소한의 요구사항이다.
JRE는 아래와 같은 요소를 포함하고있다
1. java HotSpot Client Virtual Machine에 사용되는 DLL파일
2. java HotSpot Server Virtual Machine에 사용되는 DLL파일
3. java 런타임 환경에 사용되는 코드 라이브러리, 올바른 세팅, 리소스파일.(rt.jar, charsets.jar 등)
4. java확장 파일(localedata.jar 등)
5. 보안 관리에 사용되는 파일들. 이 파일들은 Security Policy(java.policy)와 Security properties(java.security)파일들을 포함한다.
6. applet을 위한 서포트 클래스를 포함한 jar파일
7. 플랫폼에서 사용되는 TrueType font file
JRE는 JDK의 한 부분으로 또는 개별적으로 다운로드할 수 있다.
JRE는 플랫폼에 의존적이기때문에 이를 사용할 기기의 운영체제와 아키텍쳐에 따라 적절한 JRE번들을 선택해 설치하고 적용해야한다.
JDK
JRE의 결합체이다. JDK는 JRE가 가지고 있는 개발, 디버깅, 자바 애플리케이션 모니터링을 위한 개발 툴들을 포함하고있다. JDK는 자바 애플리케이션을 개발하기 위해 필수불가결하다.
아래는 JDK가 포함하는 일부 중요한 요소들이다
1. appletviewer: 웹브라우저없이 java applet을 디버깅하고 실행할 수 있다.
2. apt: 어노테이션 프로세싱툴
3. extcheck: jar파일들의 충돌을 찾아낸다
4. javadoc: documentation generator이다. 자동적으로 소스코드 주석들에서 문서를 생성한다
5. jar: 압축기이다. 패키지들에 연관된 클래스 라이브러리들을 하나의 jar파일로 파키징한다. 이 툴은 jar파일들을 관리하는데 사용된다.
6. jarsinger: jar서명과 검증 툴
7. javap: class file disassembler
8. javaws: JNLP 애플리케이션들을 위한 java web start launcher
9: Jconsole: 자바 모니터링, 관리툴
10. jhat: 자바힙 관찰툴
11. jrunscript: java command-line script shell
12. jstack: 자바 스레드의 자바 스택 추적을 프린트하는 유틸리티
13. keytool: 키저장소를 활용하기위한 툴
14. policytool: 정책 생성과 관리를 위한 툴
15. xjc: JAXB(Java API for XML Binding)의 일부 API, XML 스키마를 받고 자바 클래스들을 도출한다.
JRE처럼 JDK역시 플랫폼에 의존적이다.
JDK, JRE, JVM의 차이점
JRE = JVM + 자바 애플리케이션을 실행하기 위한 라이브러리들
JDK = JRE + 자바 애플리케이션을 개발하기위한 툴들
자바를 통한 개발을 하기 위해선 JDK를 설치해야하고 단지 JAVA 애플리케이션들을 실행하고싶다면 JRE만 설치하면 된다
번외
1. 클래스로더가 어떻게 작동하는가
클래스로더는 jar파일들과 클래스들에 대한 사전에 정의된 위치를 스캔한다. 이 경로에 있는 요청된 모든 클래스를 보고 스캔한다. 만약 찾았다면 클래스파일을 load, link, initilialize한다.
2. JRE와 JVM의 차이
JVM은 자바 애플리케이션드을 실행하는 런타임환경을 위한 명세서이다. Hotspot JVM이 이 명세서의 사용 예시다. 이는 클래스파일들을 로드하고 interpreter와 JIT 컴파일러로 바이트코드를 machine coded로 변환하고 실행한다.
3. interpreter와 JIT compiler의 차이
인터프리터는 바이트코드의 라인 하나를 interpret하고 실행하기를 반복한다. 이의 퍼포먼스는 그닥 좋지않다. JIT compiler의 경우 바이트코드에 대해 코드를 블럭단위로 검사해 최적화를 시키고 이에 대해 더 많은 최적화된 machine code를 준비한다.