[Java] 자바 JDK, JRE과 함께 JVM 이해하기

14 Sep 2024 in blog / java #Java

Java를 설치하고 시작할 때 들어본 JDK, JRE, 자바 애플리케이션을 실행하기 위해 필요한 JVM까지 Java를 둘러싼 세 가지 개념에 대해 정리해보았다.

JDK, JRE, JVM

JDK

Java Development Kit
자바로 개발하는 데 필요한 SDK이다.

Software Development Kit, SDK란?
소프트웨어를 개발하고 실행하는 데 필요한 도구 세트이다.
디버거, 컴파일러 및 라이브러리, API 및 프레임워크 등을 포함할 수 있다. 다른 회사에서 구현한 기능을 바로 내 애플리케이션에 사용할 수 있게 해준다. 예를 들어, iOS 앱을 만들려면 Apple의 iOS SDK를 사용할 수 있다.

자바 개발 시 필요한 컴파일러, 디버거, 라이브러리 등의 도구들과 자바 프로그램을 실행할 환경인 JRE 등이 포함되어 있다.

javac
- Java Compiler
- 자바 컴파일러를 실행하는 명령어
- 자바 소스코드 .java 를 바이트코드 .class 로 변환한다.
바이트 코드?
가상머신에서 실행하는 중간코드로, 가상머신이 이해할 수 있는 실행 파일의 형식
java
- 자바 애플리케이션 런타임 실행 명령어
  - JDK 또는 JRE를 설치하면 명령줄에 java 명령어가 추가된다.
- 컴파일된 바이트 코드를 실행한다.
javadoc
- 자바 소스코드로 HTML형식의 API 문서를 만드는 도구
jdb
- java debugger
- 자바 디버깅을 위한 명령어
jar
- Java ARchive
- 자바 클래스 파일들과 리소스 파일, 메타데이터를 묶은 아카이브 파일
- 자바 애플리케이션을 배포하고 실행할 때 사용하는 압축 파일이라고 생각하면 된다.

일반적으로 우리가 Java를 설치한다라고 하면 JDK를 다운받는 것을 의미한다. Java 언어를 사용하여 개발할 수 있는 도구들을 전부 갖고 있기 때문이다. 자바 언어로 개발하려면 JDK가 필요하다. 그러나 자바 프로그램을 실행만 하려면 JRE만 있어도 된다. 이 말이 무슨 뜻인지 이해하기 위해 JRE에 대해 알아보자.

JRE

Java Runtime Environment
자바 프로그램 실행 환경으로, 자바 프로그램이 실행될 때 필요한 라이브러리들과 JVM을 말한다.

앞서 프로그램 실행을 위해서는 JRE만 있어도 된다고 했지만, JDK 11 이후로는 개별 설치를 지원하지 않는다고 한다.

Java Class Library
- Java API
- 필요에 따라 호출할 수 있는 미리 작성된 코드들. 내장 메서드.
- 프로그램이 자바 클래스 라이브러리를 호출하면, JVM의 클래스 로더가 필요한 모든 클래스 파일을 JVM에 로드한다.
실행 시간 라이브러리
- 자바 프로그램이 실제로 실행될 때 필요한 구체적인 구현체를 제공하는 라이브러리
- 자바 API에서 제공하는 클래스와 메서드들 Java Class Library 이 실행시간 라이브러리를 통해 구현되는 것
자바 클래스 라이브러리와의 차이점은 API(소프트웨어 컴포넌트들이 상호작용하는 방법을 정의)와 라이브러리(미리 작성된 코드들, 구현체를 포함)의 차이 정도로 보면 될 듯하다.
Bytecode 검증기
- 바이트 코드를 실행하기 전, JVM의 바이트 코드 검증기가 클래스 파일을 검증한다.

JVM

Java Virtual Machine
자바 가상 머신
- 자바를 실행하는 가상 머신. 자바로 작성된 모든 프로그램은 JVM에서만 실행할 수 있다. 따라서 자바 프로그램 실행을 위해서는 반드시 JVM이 필요하다.
자바 언어의 플랫폼 독립성을 실현시켜주는 핵심 도구이다.
- 플랫폼에 종속되어 있다는 것은 특정 운영체제 및 하드웨어에서만 돌아간다는 의미이다.
- 어떤 플랫폼이든 위에 JVM을 올리고 거기서 자바 프로그램을 실행시키기 때문에 호스트 컴퓨터의 운영체제에 관계 없이 돌아간다.

일반적으로 소스 코드를 특정 플랫폼에서 컴파일/어셈블링해 실행 파일을 만들면 해당 플랫폼을 위한 실행 파일이 만들어진다.
- 즉 다른 운영체제에서는 여기서 만들어진 실행 파일을 실행할 수 없다.
반면 자바 소스 코드를 javac가 컴파일하면 가상 머신이 이해할 수 있는 바이트 코드를 생성한다.
이 바이트 코드를 JVM에서 실행하면 JVM이 호스트 컴퓨터의 운영체제에 맞는 실행 파일을 생성한다.
- 윈도우용 JVM이 윈도우 PC에게 윈도우용 실행 파일을, 리눅스용 JVM이 리눅스 PC에게 리눅스용 실행 파일을 제공하여 어떤 플랫폼이든 프로그램을 실행할 수 있게 해준다.
- JVM은 하나의 언어를 여러 사람의 국적에 맞는 언어로 번역하는 번역가와 같은 역할을 한다고 볼 수 있다.

JVM 구성과 실행 과정

우선 프로그램이 실행되면 JVM이 OS로부터 프로그램이 필요로 하는 메모리를 할당 받는다.
JVM은 이 메모리를 용도에 따라 여러 영역으로 나누어 관리 Java Runtime Data Area 한다.

다음으로 자바 컴파일러가 자바 소스코드를 읽고 자바 바이트코드로 변환한다.

1. Class Loader

클래스 로더가 바이트 코드를 담은 클래스 파일들을 JVM으로 로드한다.

Loading
- 바이트 코드를 메소드 영역에 저장
- 각 바이트코드는 메소드 영역에 클래스, 부모 클래스의 정보와 변수 메소드 등의 정보를 저장
Linking
- 읽어 들인 클래스가 자바 언어 명세 및 JVM 명세에 맞는지 검증
- 클래스가 필요로 하는 메모리 할당
- 클래스에서 정의된 필드, 메소드, 인터페이스를 나타내는 데이터 구조를 준비
- 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메소드 영역의 실제 레퍼런스로 교체
클래스 파일에서 클래스의 메서드, 필드, 클래스 등을 참조할 때는 실제 메모리 주소가 아닌 심볼릭 레퍼런스로 참조한다.
java.util.ArrayList, 클래스의 메서드나 필드 User.printAge(), User.age 등을 말한다.
컴파일 시점에 참조 정보를 기록하는 개념이며, 런타임에 실제 메모리 주소로 변환한다.
실제 메모리 주소를 숨기고 코드에서는 고수준의 이름을 사용하여 안전성을 높이는 캡슐화 개념이다.
Intialization
- 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화
  - static 필드들이 설정된 값으로 초기화됨

클래스 로더는 JVM 외부에 있지만, 작동은 JVM 내부에서 하는 것으로 이해했다.

2. Interpreter / JIT Compiler

로드된 클래스 파일들이 Execution Engine을 통해 해석된다.

인터프리터가 바이트 코드들을 명령어 단위로 읽어서 기계어로 해석한다.
성능을 높이기 위해 JIT 컴파일러와 인터프리터를 함께 사용하여 해석한다.
- 인터프리터 방식으로 기계어 코드를 생성할 때 자주 사용되는 메소드의 경우 컴파일 후 기계어를 캐싱한다.

3. Runtime Data Area

JVM의 메모리 영역으로 자바 프로그램을 실행할 때 사용되는 데이터들이 저장된다.
해석된 바이트 코드는 Runtime Data Area에 배치되어 실질적으로 수행된다.

Method Area
- 클래스 이름, 필드, 메서드 등 클래스 로더에 의해 로드된 클래스의 정보
- Static 변수의 데이터를 저장
- Java 8 이후에는 Metaspace라고 불리기도 한다.
Heap Area
- 객체와 배열을 저장
- 참조되지 않는 객체는 Garbage Collector에 의해 제거된다.
Stack Area
- 각 스레드마다 스택 프레임을 생성하여 메소드 호출 관련 정보를 저장
- 메소드 내 사용되는 지역 변수, 매개 변수, 반환 타입
  - 지역변수로 선언된 객체의 참조값 저장
PC Register
- 스레드가 현재 수행 중인 명령어의 주소를 저장
Native Method Stack
- Java가 아닌 다른 언어로 작성된 메소드의 호출 정보를 저장