들어가기 전

자바 애플리케이션이 실행되는 과정을 간단히 도식화 하면 아래처럼 표현할 수 있을 것이다. 이를 컴파일과 실행이라는 두 단계로 나눠서, 각 단계별로 어떤 과정이 일어나는지 살펴보자.

※ 컴파일 파트는 HomoEfficio 님의 블로그를 바탕으로 정리하였음을 미리 밝힙니다.

1. 컴파일

javac 컴파일러에 의해 자바 소스 코드 파일(.java) → JVM 바이트코드(.class)로 변환되는 과정

C와 같은 대부분의 다른 언어는 Intel 또는 HP 프로세서 관련 명령어와 같은 컴퓨터 관련 명령어로 컴파일된다.
하지만, Java 코드는 컴파일되면 플랫폼에 독립적인 표준 바이트코드 세트로 변환되며, 이 바이트코드는 JVM(Java Virtual Machine)에 의해 실행된다.
- Java에서는 각 명령어가 1바이트의 균일한 크기를 가지므로 이러한 명령어를 바이트코드라고 한다.
JVM 스펙의 .class 파일 구조에 맞는 바이트코드를 만들어 낼 수 있다면 어떤 언어든 JVM에서 실행될 수 있다.
- 클로저(Clojure)나 스칼라, 코틀린 등이 JVM에서 실행될 수 있는 이유가 바로 여기에 있다.

컴파일 과정

컴파일을 크게 두 파트로 나누면 다음과 같다.
자바 언어 스펙에 따라 자바 코드 분석/검증
JVM 스펙의 class 파일 구조에 맞는 바이트코드를 생성

1. 자바 언어 스펙에 따라 분석/검증

어휘 분석 (Lexical Analysis)
- Lexical Analyzer(Lexer 또는 Tokenizer라고도 한다)가 소스 코드에서 문자 단위로 읽어서 어휘소(lexeme)를 식별하고 어휘소를 설명하는 토큰 스트림(Token Stream)을 생성한다.
구문 분석 (Syntax Analysis)
- Syntax Analyzer(구문 분석기, Parser 라고도 한다)가 어휘 분석 결과로 나온 토큰 스트림이 언어의 스펙으로 정해진 문법 형식에 맞는지 검사해서, 맞지 않으면 컴파일 에러를 내고, 맞으면 Parse Tree를 생성한다.
의미 분석 (Symantic Analysis)
- 타입 검사, 자동 타입 변환 등이 수행된다.
- 예를 들어 다음과 같은 코드(int a = "Hello";)는 구문 분석 단계에서는 에러가 나지 않지만, 의미 분석 단계에서는 타입 검사가 수행되면서 에러가 발생한다.
- 의미 분석 단계를 거치면서 Parse Tree에 타입 관련 정보 등이 추가된다.

2. JVM 스펙의 class 파일 구조에 맞는 바이트코드를 생성

중간 코드 생성 (Intermediate Code Generation)
- 의미 분석 단계를 통과한 파스 트리를 바탕으로 기계어로 변환하기 좋은 형태의 중간 언어로 된 중간 코드를 생성한다.
- 중간 단계를 하나 둬서 간접화를 통해 경우의 수를 낮추고 효율을 높일 수 있다.
  - 자바의 바이트코드가 중간 코드에 해당한다고 볼 수 있다.
  - 다음 그림에서 4개의 언어를 나타내는 네모를 각각 자바, 클로저(Clojure), 스칼라, 코틀린이라면, 녹색 네모는 바이트코드라고 할 수 있다.
출처 : https://www.slideshare.net/RamchandraRegmi/intermediate-code-generationramchandra-regmi/
중간 코드 최적화 (Code Optimization)
- 중간 코드가 더 효율적인 기계어로 변환되도록 최적화하는 과정이다.
- 다음과 같이 매우 다양한 최적화 기법이 사용된다.
  - 핍홀(Peephole) 최적화
  - 지역 최적화
  - 루프 최적화
  - 전역 최적화

2. 실행

java [options] mainclass [args...] 로 자바 애플리케이션을 실행할 수 있다. java 명령어를 실행하게 되면
JRE(Java Runtime Environment)를 시작 (바이트코드 실행)
지정된 클래스를 로드
해당 클래스의 main() 메서드를 호출하여 애플리케이션 실행

위에서 살펴본 과정은 JVM이 담당하게 된다. JVM이 무엇이고 어떻게 해당 과정을 수행하는지 살펴보자.

JVM(Java Virtual Machine)이란 ?

공식 문서에서는 JVM을 다음과 같이 표현한다.
A JVM is a separate program that is optimized for the specific platform on which you run your Java code.
→ “JVM은 Java 코드를 실행하는 특정 플랫폼에 최적화된 별도의 프로그램이다.”

자바 애플리케이션을 개발할 때 자바 언어로 작성된 사전 정의된 core class library를 사용한다.
core class library는 일반적으로 사용되는 기능을 제공하는 패키지이다.
- 예를 들어, 기본 언어 지원은 java.lang, I/O 지원은 java.io, 네트워크 접근은 java.net 패키지를 통해 제공된다.
JVM과 core class library는 자바를 지원하는 모든 운영 체제에서 자바 애플리케이션을 개발할 수 있는 플랫폼을 제공한다.
- 이를 통해 자바의 핵심 사상인 “write once, run anywhere”(WORA)가 가능해진다.
자바를 다운받을 때, 운영체제 별로 나뉘어져 있는 것을 생각해보면 쉽게 와닿을 것 같다.

JVM이 바이트코드를 실행하기까지

JVM의 구성요소를 살펴보면서 어떻게 실행되는지 알아보자.

출처 : https://www.geeksforgeeks.org/jvm-works-jvm-architecture/

1. Class Loader : Loading, Linking, Initializing

JVM은 클래스와 인터페이스를 동적으로 로드, 연결 및 초기화한다.

Loading

특정 이름을 가진 클래스, 인터페이스 타입의 이진 표현을 바탕으로 클래스, 인터페이스를 만드는 과정이다.

클래스 로더는 .class 파일을 읽고 해당 파일에 대한 이진 데이터를 Method Area에 저장한다.

JVM은 각 .class 파일에 대해 다음 정보를 Method Area에 저장한다.

로드된 클래스 및 해당 직계 부모 클래스의 정규화된(fully qualified) 이름

public class Demo {
 public static void main(String[] argv) throws Exception {
    Class c = java.util.ArrayList.class;
    String className = c.getName();
    System.out.println("The fully-qualified name of the class is: " + className);
    // The fully-qualified name of the class is: java.util.ArrayList
 }
}

.class 파일이 Class, Interface 또는 Enum과 관련이 있는지 여부
수정자(public, final, static, …), 변수, 메서드 정보 등

.class 파일을 로드한 후 JVM은 이 파일을 힙 메모리에 나타내기 위해 Class 타입의 객체를 생성한다.
이 객체는 java.lang 패키지에 미리 정의된 java.lang.Class<T>이다.
Class 객체는 클래스 이름, 부모 이름, 메서드 및 변수 정보 등과 같은 클래스 레벨의 정보를 얻는 데 사용할 수 있다.
이 객체 참조를 얻으려면 Object.getClass() 메서드를 사용한다.
로드된 모든 .class 파일에 대해 하나의 클래스 객체만 생성된다.

Linking

클래스, 인터페이스를 결합하여 JVM이 실행할 수 있는 상태로 만드는 과정이다.
verification, preparation, (선택적으로) resolution을 수행한다.

Verification
- .class 파일의 정확성을 보장한다.
  - 즉, 올바른 형식으로 올바른 컴파일러에 의해 생성되었는지 여부를 확인한다.
- 검증에 실패하면 런타임 예외 java.lang.VerifyError가 발생한다.
  - 이 과정은 ‘ByteCodeVerifier’ 컴포넌트에 의해 수행된다.
- 검증이 완료되면 class.파일을 (기계어로) 컴파일할 준비가 된 것이다.
Preparation
- JVM은 클래스 변수에 대한 메모리를 할당하고 메모리를 기본값으로 초기화한다.
Resolution
- 타입의 심볼릭 레퍼런스를 direct 레퍼런스로 바꾸는 과정이다.
- 참조된 엔터티를 찾기 위해 메서드 영역을 탐색한다.

Initialization

클래스 또는 인터페이스의 초기화 메서드를 실행하는 것이다.

이 단계에서 모든 static 변수는 코드 및 static block(있는 경우)에 정의된 값으로 할당된다.
클래스에서는 위에서 아래로, 클래스 계층에서는 부모에서 자식 순서로 실행된다.

참고. 클래스 로더 구성

일반적으로, 세 가지 클래스 로더로 구성된다.

Bootstrap class loader
- JAVA_HOME/jre/lib 디렉토리에 있는 핵심 Java API 클래스를 로드한다.
  - 이 경로는 일반적으로 부트스트랩 경로로 알려져있다.
  - C, C++ 등의 native 언어로 구현되어 있다.
- 모든 JVM 구현에는 신뢰할 수 있는 클래스를 로드할 수 있는 부트스트랩 클래스 로더가 있어야한다.
Extension class loader
- 부트스트랩 클래스 로더의 자식이다.
- JAVA_HOME/jre/lib/ext(확장 경로) 또는 java.ext.dirs 시스템 속성에 의해 지정된 다른 디렉토리에 있는 클래스를 로드한다.
- 자바에서는 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 클래스에 의해 구현된다.
System/Application class loader
- 확장 클래스 로더의 자식입니다.
- 애플리케이션 classpath에서 클래스를 로드하는 역할을 수행한다.
- 내부적으로 java.class.path에 매핑된 환경 변수를 사용한다.
- 자바에서는 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 클래스에 의해 구현된다.

public class Test {
    public static void main(String[] args)
    {
        // String class is loaded by bootstrap loader, and
        // bootstrap loader is not Java object, hence null
        System.out.println(String.class.getClassLoader()); // null

        // Test class is loaded by Application loader
        System.out.println(Test.class.getClassLoader()); // jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@8bcc55f
    }
}

JVM은 Delegation-Hierarchy 원칙에 따라 클래스를 로드한다.
시스템 클래스 로더는 확장 클래스 로더에 로드 요청을 위임하고, 확장 클래스 로더는 부트스트랩 클래스 로더에 요청을 위임한다.
부트스트랩 경로에 클래스가 있는 경우 해당 클래스가 로드되지 않으면 다시 요청을 확장 클래스 로더로 전송한 다음 시스템 클래스 로더로 전송한다.
마지막으로 시스템 클래스 로더가 클래스 로드에 실패하면 런타임 예외 java.lang.ClassNotFoundException이 발생한다.

2. Runtime Data Arae(JVM Memory)

해당 내용과 관련하여 정리했던 포스팅을 참조하면 될 것 같다.

3. Execution Engine

바이트 코드를 한 줄씩 읽어들여 다양한 메모리 영역에 있는 데이터와 정보를 바탕으로 명령을 실행한다.
크게 Interpreter, JIT Compiler, Garbage Collector 세 부분으로 구성된다.

Interpreter

바이트코드를 한 줄씩 해석하여 실행한다.
같은 메서드를 여러 번 호출하는 경우, 매번 해석이 필요하기 때문에 비효율적이다.

JIT Compiler

인터프리터의 효율성을 높이기 위해 사용합니다.
전체 바이트 코드를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경한다.
- 인터프리터가 반복되는 메서드를 호출할 때마다 해당 부분에 대해 JIT가 네이티브 코드를 제공한다.
- 결과적으로, 재해석이 필요하지 않으므로 효율성이 향상된다.

Garbage Collector

더 이상 참조되지 않는 객체를 제거한다.

4. Java Native Interface (JNI)

Native Method Libraries와 연동하여 실행에 필요한 Native Library(C, C++)를 제공하는 인터페이스이다.
JVM이 C/C++ 라이브러리를 호출할 수 있고, 하드웨어 전용 C/C++ 라이브러리에 의해 호출될 수도 있다.

5. Native Method Libraries

Execution Engine에서 필요로 하는 Native Libraries(C, C++)의 모음이다.

더 공부할 부분

JIT Compiler
Garbage Collector
바이트코드

자바 애플리케이션이 실행되는 과정 살펴보기

들어가기 전

1. 컴파일