Java 실행 과정
1. 컴파일
자바 소스 파일(*.java)을 Java Compiler가 JVM이 해석할 수 있는 파일인 Java ByteCode (*.class)파일로 변환한다. Java Compiler는 Java 설치 시 Javac.exe라는 실행 파일 형태로 존재한다.
2. Class Loader를 통해 ByteCode를 메모리(Runtime Data Area)에 배치
ClassLoader는 크게 Loading, Linking, 그리고 Initialization 3가지 역할을 한다.
Loading
.class 확장자를 가진 클래스 파일은 각 디렉터리에 흩어져 있다. 또한, 기본적인 라이브러리의 클래스 파일들은 $JAVAHOME_ 내부 경로에 존재한다. 각각의 클래스 파일들을 찾아서 JVM 의 메모리에 탑재해주는 역할을 하는 것이 ClassLoader의 역할이다.
클래스 로더는 .class 파일을 읽어 바이트 코드를 Runtime Data Area의 메소드 영역(Method Area)에 저장한다.
각 .class 파일은 JVM에 의해 메소드 영역에 다음의 정보들을 저장한다.
- 로드된 클래스를 비롯한 그의 부모 클래스의 정보
- class 파일이 Class, Interface, Enum와 관련 여부
- 변수나 메소드의 정보 등
.class 파일이 로딩된 후에는, JVM은 힙 메모리 영역에 이 파일이 나타내는 클래스 유형의 객체를 생성한다.
Linking
Linking 은 로드된 클래스 파일들을 검증하고, 사용할 수 있게 준비하는 과정을 의미한다. Verification, Preparation, 그리고 Resolution이라는 세 가지 단계로 이루어진다.
- Verification : 클래스 파일이 유효한지를 확인하는 과정이다. 클래스 파일이 JVM 의 구동 조건대로 구현되지 않았을 경우에는 VerifyError를 던지게 된다.
- Preparation : 클래스 및 인터페이스에 필요한 static field 메모리를 할당하고, 이를 기본값으로 초기화한다. 기본값으로 초기화된 static field 값들은 이후 Initialization 과정에서 코드에 작성한 초기값으로 변경된다.
- Resolution : Symbolic Reference 값을 JVM 의 메모리 구성 요소인 Method Area 의 런타임 환경 풀을 통하여 Direct Reference 라는 메모리 주소 값으로 바꾼다.
Initialization
Initialization 단계에서는 클래스 파일의 코드를 읽고 Java 코드에서의 class와 interface의 값들을 지정한 값들로 초기화한다. 여기에 static field도 포함된다. 이때, JVM 은 멀티 쓰레딩으로 작동을 하며, 같은 시간에 한 번에 초기화를 하는 경우가 있기 때문에 초기화 단계에서도 동시성을 고려해주어야 한다.
3. 실행 시점에 Execution Engine에서 바이트코드를 기계어로 해석
Execution Engine은 Java Native Interface(JNI), Native Method Libraries와 상호작용하며 해석한다.
- Java Native Interface(JNI) : Native Method Libraries와 상호작용하고 실행에 필요한 네이티브 라이브러리(C, C++)을 제공하는 인터페이스이다. JVM은 C/C++ 라이브러리를 통해 호출할 수 있고, 특정 하드웨어와 관련된 C/C++ 라이브러리로 호출 될 수도 있다.
- Native Method Libraries : Execution Engine으로 인해 요구되는 네이티브 라이브러리(C,C++)의 모음이다.
해석 방식은 인터프리터 방식 혹은 JIT(Just-In-Time) Compiler 방식이 있다.
- 인터프리터(Interpreter) : 바이트코드를 한줄씩 해석한다. 단점은 여러번 하나의 메소드를 호출할 경우 매번 해석을 요청해야하기 때문에 비효율적이다.
- Just-In-Time(JIT) Compiler : 같은 코드를 매번 해석하지 않고 기계어로 번역하면서 캐싱한다. 해당 파일이 다시 기계어로 컴파일 된다면 이전 파일과 비교해서 바뀐 부분은 새롭게 컴파일하고 변동 사항이 없는 부분은 캐싱된 코드를 사용한다. 메소드의 반복 호출을 확인할 때마다 직접 네이티브 코드로 제공함으로써 효율성이 증가된다.