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# JVM

## JDK, JRE, JVM 

<mark style="color:blue;">JDK, JRE, JVM</mark>에 대한 용어를 정리 하겠습니다

<figure><img src="/files/q8pXDooHsfzwwvpQAX1W" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

* JDK : Java Development Kit / 자바 개발 도구
* JRE : Java Runtime Environment / 자바 실행 환경
* JVM : Java Virtual Machine / 자바 가상 기계

## &#x20;Java의 호환성

<figure><img src="/files/rGCnEBroYVM5MUcRlPrt" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

* 앞 Chapter에서 알아보기로 한 C언어와 Java의 차이점을 확인해보겠습니다.
* <mark style="color:blue;">Java</mark>는 <mark style="color:blue;">Write Once Use Anywhere</mark> 이라는 목적을 가지고 있습니다!\
  번역하자면, <mark style="color:blue;">"소스파일을 하나만 작성하면 어디에서든지 사용이 가능하다!"</mark> 입니다.
* 반면에 <mark style="color:blue;">C언어</mark>는 <mark style="color:blue;">One Source Multi Object Use Anywhere</mark>\
  번역하자면, <mark style="color:blue;">"하나의 소스파일로 각 기계에 맞는 목적파일로 만들어 어디든 사용 가능하다!"</mark> 입니다.
* 정리해 보자면, <mark style="color:blue;">하나의 목적파일로 어디든 실행이 가능하냐, 다수의 목적 파일을 만들어서 각 기계에 맞게 사용하냐</mark>의 차이라고 할 수 있습니다.
* 결론, 우리는 Java를 사용하여 기계의 기종별 즉, <mark style="color:blue;">운영체제에 구애받지 않고 개발</mark>을 할 수 있게 되었습니다.
* 여기서 Java의 목적파일은 <mark style="color:blue;">반기계어인 바이트코드(.class)인데 이는 운영체제가 아니라 JVM에서 사용</mark>됩니다.
* 소스코드를 바이트 코드로 컴파일 해주는게 <mark style="color:blue;">자바 컴파일러(javac)</mark>입니다.&#x20;
* 그럼 다음으로 Java가 어떤 과정을 통해 컴파일되어 실행되는지 보겠습니다.

## Java의 실행 과정

<figure><img src="/files/dXV1vlE2MVAOB0nrABkQ" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

1. 개발자는 자바 <mark style="color:blue;">소스파일(.java)</mark>를 작성합니다.
2. JDK가 제공하는 <mark style="color:blue;">javac</mark>를 사용하여 소스파일을 컴파일합니다.
3. JVM의 <mark style="color:blue;">Class Loader</mark>는 컴파일로 생성된 바이트 코드(.class)를 전달 받아 동적 로딩을 통해 실행에 필요한 클래스들을 로딩하여 JVM 내부 <mark style="color:blue;">Runtime Data Area</mark>에 로드합니다.
4. JVM의 <mark style="color:blue;">Execution</mark>에 의해 기계어로 해석되어 실행됩니다.

### Class Loader

* 프로그램 상의 작성한 모든 클래스, 변수 및 메서드의 <mark style="color:blue;">정보</mark>를 <mark style="color:blue;">Method Area에 배치</mark>합니다.
* JVM 내부에 바이트 코드를 로드하고 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈입니다.
* 실행될 때 동적으로 클래스를 로드하고 jar 파일 내부에 저장되어 있는 클래스들을 JVM에 로드합니다.
* static(정적) 변수와 메서드는 Heap Area에 배치합니다.

### Execution(실행 엔진)

* <mark style="color:blue;">Interpreter</mark>는 바이트 코드를 한줄 씩 읽고 번역해 주는데 느리다는 단점이 존재합니다.
* 그래서 이를 보완하기 위해 나온 것이 <mark style="color:blue;">JIT 컴파일러</mark>입니다.&#x20;
* JIT 컴파일러는 Interpreter 방식으로 실행을 하다가 적당한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일하여 <mark style="color:blue;">캐싱</mark>합니다.
* 캐싱 즉, 컴파일된 코드를 저장해 두기 때문에 이 코드들은 Interpreter를 통해 실행되는 것이 아니라 바로 실행이 됩니다. 그렇기 때문에 실행 속도가 매우 빨라집니다.
* <mark style="color:blue;">Garbage Collector</mark>는 간단하게 설명 하자면 유효하지 않은 즉, <mark style="color:blue;">사용되지 않는 메모리를 추적하여 비워주는 기능</mark>을 가지고 있습니다.
* 추가로 <mark style="color:blue;">인터프리터 언어</mark>와 <mark style="color:blue;">컴파일 언어</mark>에 대해 한번 정리하고 가겠습니다.

## Compile 언어와 Interpreter 언어

<figure><img src="/files/rEQbceJJF25HTQ18gnQv" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

### Compile 언어

* 소스파일 전체를 컴파일 한 후 기계어를 CPU와 메모리를 통해 읽어서 바로 실행하는 방식으로 동작이 되는 언어
* 종류 : C, C++, Java, C# ...
* 특징
  * 소스파일의 크기가 크면 컴파일 과정이 오래 걸릴 수 있습니다.
  * 컴파일이 된 후에 기계어로 바로 실행되기 때문에 <mark style="color:blue;">실행 속도가 빠릅니다.</mark>
  * Java는 javac에 의해 바이트코드로 컴파일 되지만 JVM에서는 인터프리터로 실행됩니다. 그러므로 Compile 언어이지만, Interpreter 언어의 특징을 동시에 가집니다.

### Interpreter 언어

* 소스파일을 컴파일하지 않고서 Interpreter를 사용하여 소스파일을 한줄 씩 번역하면서 실행하는 방식으로 동작이 되는 언어
  * Interpreter : 소스 코드를 바로 번역하여 실행하는 프로그램 혹은 환경
* 종류 : Javascript, Ruby, Python ...
* 특징
  * 컴파일 언어처럼 별도의 <mark style="color:blue;">목적파일이 존재하지 않습니다.</mark>
  * 컴파일 과정 없이 바로 실행되기 때문에 수정 및 디버깅시 편합니다.
  * Interpreter 만 존재하면 어디서든지 실행이 가능하기 때문에 자유롭고 독립적 입니다.
  * 실시간으로 번역 되면서 실행되기 때문에 <mark style="color:blue;">실행 속도가 느립니다.</mark>

## JVM

> ### JVM은 Java 프로그램이 실행되는 <mark style="color:blue;">가상 컴퓨터</mark>라고 생각하시면 됩니다.

<figure><img src="/files/fVpzJCyHQapwrxLEtJWj" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

* 위 이미지 처럼 JVM은 내부적으로 복잡한 구조를 가지고 있습니다!
* 우리는 이 중에서 <mark style="color:blue;">Runtime Data Areas</mark>를 간단하게 정리해 보겠습니다.(<mark style="color:blue;">Java 8 이후</mark> 기준)

<figure><img src="/files/qvv8KJrtOZRWyyFZ3L3v" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

### 전 처리 과정 이해하기

* Runtime Data Areas를 학습하기 전에 전 처리 과정에 대해 학습하겠습니다.
* 위에서 JRE는 Java의 실행 환경이라고 배웠습니다.
* JRE는 프로그램을 실행하기 전에 먼저 프로그램에 <mark style="color:blue;">메인 메서드를 포함하고 있는지 확인</mark>하고 존재한다면 <mark style="color:blue;">JVM을 부팅</mark>시킵니다.
* 부팅이된 JVM은 전달받은 코드를 실행 시키는데 이때 가장 먼저 하는 일이 전 처리라고 하는 과정입니다.

#### 전 처리 과정

1. 모든 Java 프로그램은 반드시 <mark style="color:blue;">java.lang 패키지</mark>를 포함합니다. 따라서 JRE는 해당 패키지를 <mark style="color:blue;">Method Area에 배치</mark>합니다.
2. 프로그램이 사용하기위해 <mark style="color:blue;">import한 패키지</mark>들도 존재할 겁니다. 마찬가지로 <mark style="color:blue;">Method Area에 배치</mark>합니다.
3. 프로그램 상의 작성한 모든 클래스, 변수 및 메서드의 <mark style="color:blue;">정보를 Method Area에 배치</mark>합니다.
4. static(정적) 변수와 메서드는 Heap Area에 배치합니다.

## Runtime Data Areas

* 컴퓨터에서 메모리 같은 역할을 수행하는 영역입니다. 자바 프로그램을 실행하여 발생하는 데이터를 저장하는 역할을 하는데, 데이터의 속성에 따라 영역이 분리되어 있습니다.

### PC Register

* 스레드가 시작될 때마다 생성되는 공간으로, 스레드마다 하나씩 존재합니다.
* 스레드가 어떤 명령에 의해 실행되어야 할지에 대한 기록을 하는 부분으로 현재 수행을 하고 있는 <mark style="color:blue;">JVM의 명령 주소를 갖고 있습니다.</mark>

### Native Method Stack

* 자바 프로그램이 컴파일 되어 생성되는 바이트 코드가 아닌 실제 실행할 수 있는 기계어로 작성된 프로그램을 실행시키는 영역입니다.
* 자바 이외의 언어(C, C++, 어셈블리 등)로 작성된 코드를 실행할 때, Native Method Stack이 할당 되며, 일반적인 C 스택을 사용합니다.
* Java Native Interface를 통해 바이트 코드로 전환하여 저장됩니다.
* 일반 프로그램처럼 커널이 스택을 잡아 독자적으로 프로그램을 실행시키는 영역입니다.

### Method Area(Metaspace, Static Area, Class Area)

* 클래스 정보를 처음 메모리 공간에 올릴 때 초기화 되는 대상을 저장하기 위한 공간입니다.
* 클래스의 타입, 변수 및 메서드등의 정보를 가지고 있으며 <mark style="color:blue;">모든 Thread가 공유</mark>합니다.
* <mark style="color:blue;">Runtime Constant Pool</mark>
  * <mark style="color:blue;">상수 자료형을 저장하여 참조하고 중복을 막는 역할을 수행</mark>합니다.

### Heap Area

<figure><img src="/files/tQuupxfcAOqoMGfTVk5c" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

* 객체(인스턴스)가 생성되는 영역입니다. 프로그램을 실행하는 중 생성되는 <mark style="color:blue;">객체들은 모두 이곳에 생성</mark>됩니다.
* Permanent Generation
  * 생성된 <mark style="color:blue;">객체들의 정보의 주소값이 저장된 공간</mark>입니다.
  * &#x20;클래스 로더에 의해 로드되는 Class, Method 등에 대한 Meta 정보가 저장되는 영역이며 JVM에 의해 사용됩니다.
  * Reflection을 사용하여 동적으로 클래스가 로딩되는 경우에 사용됩니다.
  * Java 8 이전에는 Permanent Generation 이 Heap 내부에 존재 했지만 8 이후 제거되고 Method Area 즉, <mark style="color:blue;">Metaspace</mark> 라 불리우며 Heap이 아닌 <mark style="color:blue;">Native 메모리 영역</mark>에 저장됩니다. \
    이전에 제한된 메모리 크기 때문에 발생했던 한계점을 극복하기 위해 변경되었습니다.
* New/Young Generation
  * Eden : 객체들이 최초로 생성되는 공간입니다.
  * Survivor 0,1 : Eden에서 참조되는 객체들이 저장되는 공간입니다.
  * 생명 주기가 짧은 객체를 Garbage Collector 의 대상으로 하는 영역입니다.
  * Eden 영역에 객체가 가득차게 되면 Garbage Collector에 의해 Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 1 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 객체들을 삭제합니다.
* Tenured Generation
  * Old : 이곳의 객체들은 Garbage Collector 에 의해 삭제됩니다.
  * New/Young Generation 에서 일정시간 참조되고 있고 살아남은 객체들이 저장되는 공간입니다.
  * 생명 주기가 긴 객체를 Garbage Collector 의 대상으로 하는 영역입니다.

### Stack Area

<figure><img src="/files/YXhXBJj1QGdoTliX0NmV" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

* 프로그램 실행 과정에서 임시로 할당이 되었다가 메서드를 빠져나가면 바로 소멸이 되는 특성의 데이터들을 저장하기 위한 영역입니다.
* 실행되는 메서드 및 중괄호 블록(if문등)에 대한 데이터가 저장되는 영역입니다.
* 가장 처음 실행되는 메서드(main())가 첫 번째로 메모리에 올라가고 그 다음에 실행되는 메서드들이 위에 쌓이는 구조입니다.
* <mark style="color:blue;">쌓이는 메서드의 단위를 스택 프레임</mark>이라고 부릅니다. \
  해당 메서드를 실행하기 위한 변수 및 블록이 존재하면 스택 프레임 내부에 스택 프레임이 생길 수 있습니다.
* 가장 큰 특징은 <mark style="color:blue;">멀티 스레드 환경에서 각 스레드가 고유의 스택 영역</mark>을 가진다는 점입니다.

> #### 드디어 다음 Chapter 부터 본격적으로 Java에 대해 학습해 보겠습니다!

{% hint style="info" %}
프로세스(process)란?\
실행 중인 프로그램

* 사용자가 작성한 프로그램이 운영체제에 의해 메모리 공간을 할당받아 실행 중인 것을 의미합니다.
* 프로세스는 프로그램에서 사용되는 메모리등의 자원과 스레드로 구성됩니다.
  {% endhint %}

{% hint style="info" %}
스레드(thread)란?

프로세스 내부에서 실제로 작업을 수행하고 있는 주체

* 2개 이상의 스레드를 가지고 있는 프로세스는 멀티 프로세스(multi-threaded process)라고 부릅니다.
  {% endhint %}

{% hint style="info" %}
Reflection 이란?\
객체를 통해 클래스의 정보를 분석해 내는 프로그래밍 기법

* 구체적인 클래스 타입을 알지 못해도, 컴파일된 바이트 코드를 통해 역으로 클래스의 정보를 알아내어 사용할 수 있습니다.
  {% endhint %}