프로그램 동작 원리

• 기본적으로 소프트웨어가 작성되어 CPU에서 실행되기까지의 과정은 다음과 같다.
  • 소스파일 작성 → 컴파일러나 인터프리터가 어셈블리어로 번역 → 어셈블러가 기계어로 번역 → 목적 파일 생성 → Linking → loader module 생성 → loader → CPU execute
    1. 우리가 C나 C++ 등의 고급언어로 소스코드를 작성한다.
    2. 언어에 맞는 컴파일러(혹은 인터프리터)가 어셈블리어로 번역해준다.
    3. 어셈블리어로 번역된 파일을 어셈블러가 기계어 코드(0,1)인 목적 파일로 번역한다.
    4. 규모가 어느정도 있는 프로그램이면 한 파일에 모든 소스코드가 있지 않다. 여러 파일로 나눠져 컴파일이 된 목적 파일들을 연결해야한다. 이 과정을 Linking이라고 한다.
    5. Linker에 의해 연결한 파일을 loader module이라고 한다.
    6. loader는 loader module을 메모리에 올린다.
    7. 메모리에 올라간 loader module을 CPU가 실행한다.

<aside> 💡 그럼 JVM은 어떻게 동작하는 것일까?

</aside>

JVM의 동작 원리

• Java 언어의 특징은 어떤 플랫폼, 운영체제에서도 동작하는 것이다. 앞에서 본 것처럼 목적 파일로 만들어져 바로 CPU에서 수행되는 것이 아니다.

  • 중간에 JVM을 한 번 거치게 된다.

  • 간단하게만 한번 보면 다음과 같다.

    1. 자바 소스코드를 작성한다.
    2. 자바 컴파일러가 byte code라고 불리는 .class 파일로 번역한다.
    3. JVM이 기계어 코드로 번역한다.

    

    https://ahea.wordpress.com/2017/05/25/자바개발자가-알아야-할-jvm과-garbage-collection/

JDK 구조

• 우선 JDK의 구조부터 보자.

  

  https://medium.com/@mannverma/the-secret-of-java-jdk-jre-jvm-difference-fa35201650ca

  • JDK > JRE > JVM

    • 이런 포함관계를 갖는다.

    • JDK(java development kit)

      • 컴파일러, 디버거, JRE가 있다.

    • JRE(java runtime environment)

      • JVM과 라이브러리가 있다.

    • JVM(java virtual machine)

      

      https://ahea.wordpress.com/2017/05/25/자바개발자가-알아야-할-jvm과-garbage-collection/

      • JVM 내부에는 Class Loader, Runtime Data Areas, Execution Engine 등이 있다.

<aside> 💡 이제 JVM이 어떻게 class 파일을 기계어 코드로 변환하는지 알아보자.

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Class Loader

• 클래스 로더는 바이트 코드(.class)를 받아서 필요한 클래스를 가져와 JVM의 메모리에 로드하고, 링킹하고 초기화 하는 과정을 수행한다.
• 자바는 컴파일 타임에 모든 클래스를 로드하는 방식이 아닌, 런타임에 클래스가 필요하면(참조할 때) 클래스를 로드하고 링킹하는 동적로드를 한다.
  • JVM에서 동적로드를 담당한다.

Class Loader 특징

• 계층 구조
  • JVM의 클래스 로더는 여러개가 있는데 이 클래스 로더끼리 부모-자식관계의 계층 구조를 이루고 있다.
• 위임모델

  • 게층 구조를 바탕으로 클래스 로더끼리 호출을 위임한다. 클래스를 로딩할 때, 최상위 클래스로더인 부트스트랩 클래스 로더를 확인하고 이 클래스 로더에 로딩하려는 클래스가 없다면 자식 클래스 로더로 책임을 넘긴다.

  • 위임 모델 다이어그램

    

    https://d2.naver.com/helloworld/1230

    • 부트스트랩 클래스 로더
      • JVM이 처음 실행될 때 생성된다. 최상위 Object클래스와 Java api들을 로드한
    • 익스텐션 클래스 로더(Extension Class Loader)
      • 기본 자바 API를 제외한 확장 클래스들을 로드한다.
    • 시스템 클래스 로더(System Class Loader)
      • 사용자가 작성한 클래스들(?), $CLASSPATH 내의 클래스들을 로드한다.
    • 사용자 정의 클래스 로더(User-Defined Class Loader)
      • 애플리케이션 사용자가 직접 코드 상에서 생성해서 사용하는 클래스 로더이다.
• 가시성 제한
  • 하위 클래스 로더에서는 상위 클래스로더의 클래스를 찾을 수 있다.
  • 반대는 안된다.
• 언로드 불가
  • 클래스 로더는 클래스를 로딩만 할 수 있다.
  • 이미 로드된 클래스를 언로드 할 수는 없다.

클래스 로딩 과정

• 클래스 로더가 아직 로드되지 않은 클래스를 찾을 때, 로딩 → 링킹 → 초기화 과정을 거친다.

  

  https://d2.naver.com/helloworld/1230

  1. 로딩
     • 클래스 파일을 가져와서 JVM 메모리에 로드
  2. 링킹
     • 검증
       • 자바, JVM의 명세에 맞게 작성 되어 있는지 확인
     • 준비
       • 클래스가 필요로하는 메모리를 할당 (필드, 메소드 등)
     • 분석
       • 클래스의 상수 풀 내의 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경
         • 클래스 파일은 JVM이 프로그램을 실행할 때 필요한 API를 Link할 수 있도록 심볼릭 레퍼런스를 가진다. 심볼릭 레퍼런스를 런타임 시점에 메모리 상에서 실제로 존재하는 물리적인 주소로 대체하는 Linking 작업이 일어난다.
         • 심볼릭 레퍼런스는 참조하는 대상의 이름을 지칭하고, 클래스 파일이 JVM에 올라가게 되면 심볼릭 레펀선스는 실제 메모리 주소가 아닌 이름에 맞는 객체의 주소를 찾아서 연결하는 작업을 수행한다.
  3. 초기화
     • 클래스 변수들을 초기화한다. → static 필드들을 설정된 값으로 초기화 한다.