JAVA - 자바 프로그램 컴파일 과정

 

자바는 다른 언어들과는 다르게 OS 에 독립적인 특징을 가지고 있다. 

- 자바는 JVM 덕분에 다른 언어들과는 다르게 OS 에 독립적이다.

- 자바가 아닌 다른 프로그래밍 언어의 경우 컴파일러가 하드웨어와 운영체제에 맞는 기계어 코드 파일을 만들어낸다.

* 컴파일 : 프로그래밍 언어로 작성된 프로그램을 컴퓨터가 정상적으로 실행할 수 있는 기계어로 번역해주는 작업

- 반면 자바 컴파일러는 자바 가상 기계(JVM) 에 맞는 가상 기계어로 된 파일을 만들어 내는데 이 파일이 바로 클래스 파일이다.

 

* 자바에서는 왜 기계어로 된 실행 파일을 직접 만들지 않고 가상 기계어로 된 클래스 파일을 만들어서 자바 가상 기계가 실행하게 하는 걸까?

-> 컴파일된 결과물을 서로 다른 플랫폼(윈도우, 맥) 에 가져가서도 정상적으로 사용할 수 있도록 하기 위해서 이다.

-> 자바 가상 기계는 플랫폼마다 다르지만, 모든 자바 가상 기계는 똑같은 가상 기계어를 사용하기 때문에 클래스 파일을 다른 종류의 플랫폼으로 가져가서도 그대로 실행할 수 있다.

-> 덕분에 프로그램의 배포와 설치가 아주 편리해진다.

 

일반 프로그램과 자바 프로그램의 차이

 

자바의 컴파일 순서

자바의 컴파일 순서는 다음과 같다.

1. 개발자가 자바 소스코드(.java) 를 작성한다.

 

2. 자바 컴파일러가(Java Compiler) 가 자바 소스파일을 컴파일한다.

- 이때 나오는 파일은 자바 바이트 코드(.class) 파일로 아직 컴퓨터가 읽을 수 없는 상태이며, 자바 가상 머신(JVM) 이 이해할 수 있는 코드이다.

- 바이트 코드의 각 명령어는 1바이트 크기의 Opcode 와 추가 피연산자로 이루어져 있다.

 

3. 컴파일된 바이트 코드를 JVM의 클래스 로더(Class Loader) 에게 전달한다.

 

4. 클래스 로더는 동적 로딩(Dynamic Loading) 을 통해 필요한 클래스들을 로딩 및 링크하여 런타임 데이터 영역(Runtime Data area), 즉 JVM 의 메모리에 올린다.

* 클래스 로더 세부동작

- 로드 : 클래스 파일을 가져와서 JVM의 메모리에 로드한다.

- 검증 : 자바 언어 명세(Java Language Specification) 및 JVM 명세에 명시된 대로 구성되어 있는지 검사한다.

- 준비 : 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당한다.(필드, 메소드, 인터페이스 등등)

- 분석 : 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.

(심볼릭 레퍼런스 : 기본 자료형을 제외한 모든 타입(클래스, 인터페이스)을 명시적인 메모리 주소 기반의 참조가 아니라, 변수 이름을 기반으로 하여 참조하는것)

(다이렉트 레퍼런스 : 기본 자료형을 제외한 모든 타입을 명시적인 메모리 주소를 기반으로 참조하는 것)

- 초기화 : 클래스 변수들은 적절한 값으로 초기화한다.

 

5. 실행엔진(Execution Engine) 은 JVM 메모리에 올라온 바이트 코드들을 명령어 단위로 하나씩 가져와서 실행한다.

이때, 실행 엔진은 두가지 방식으로 변경한다.

- 인터프리터 : 바이트 코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다. 하나하나의 실행은 빠르나, 전체적인 실행 속도가 느리다는 단저이 있다.

- JIT 컴파일러(Just-In-Time Compiler) : 인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 바이트 코드 전체를 컴파일하여 바이너리 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메소드를 더 이상 인터프리팅 하지 않고 바이너리 코드로 직접 실행하는 방식이다.

하나씩 인터프리팅하여 실행하는 것이 아니라 바이트 코드 전체가 컴파일된 바이너리 코드를 실행하는 것이기 때문에 전체적인 실행속도는 인터프리팅 방식보다 빠르다.

자바 프로그램 실행과정

 

자바 언어의 특징

1. 운영체제에 독립적이다.

- 일종의 에뮬레이터인 자바 가상머신(JVM) 을 통해서 운영체제에 독립적인 형태로 동작하는 것이 가능하다.

- 자바 응용 프로그램은 하드웨어가 아닌 JVM 하고만 통신하고, JVM이 자바 응용 프로그램 으로부터 전달받은 명령을 해당 운영체제가 이해할 수 있도록 변환하여 전달한다.

 

2. 객체지향 언어이다.

- 객체지향 개념의 특징인 상속, 캡슐화, 다형성이 잘 적용된 순수한 객체지향 언어이다.

 

3. 비교적 배우기 쉽다.

- 자바의 연산자와 기본 구문은 C++에서, 객체지향 관련 구문은 스몰 톡(small talk) 이라는 객체지향 언어에서 가져왔다.

- 이들 언어의 장점은 취하면서 복잡하고 불필요한 부분은 과감히 제거하여 단순화 함으로서 쉽게 배울 수 있으며, 간결하고 이해하기 쉬운 코드를 작성할 수 있다.

 

4. 자동 메모리 관리(Garbage Collection)

- 자바로 작성된 프로그램이 실행되면, GC(Garbage Collector) 가 자동적으로 메모리를 관리해주기 때문에 프로그래머는 메모리를 따로 관리하지 않아도 된다.

 

5. 네트워크와 분산처리를 지원

- 인터넷과 대규모 분산환경을 염두에 둔 까닭인지 풍부하고 다양한 네트워크 프로그래밍 라이브러리(Java API) 를 통해 비교적 짧은 시간에 네트워크 관련 프로그램을 쉽게 개발할 수 있도록 지원한다.

 

6. 멀티 쓰레드 지원

- 일반적으로 멀티 쓰레드의 지원은 사용되는 운영체제에 따라 구현방법도 상이하며, 처리 방식도 다르다.

- 그러나 자바에서 개발되는 멀티쓰레드 프로그램은 시스템과는 관계없이 구현 가능하며, 관련된 라이브러리(Java API) 가 제공되므로 구현이 쉽다.

- 그리고 여러 쓰레드에 대한 스케쥴링(scheduling) 을 자바 인터프리터가 담당한다.

 

7. 동적 로딩(Dynamic Loading) 을 지원한다.

- 보통 자바로 작성된 애플리케이션은 여러 개의 클래스로 구성되어 있다.

- 자바는 동적 로딩을 지원하기  때문에 실행 시에 모든 클래스가 로딩되지 않고 필요한 시점에 클래스를 로딩하여 사용할 수 있다는 장점이 있다.(JPA 의 Lazy Loading 같은것)

- 그 외에도 일부 클래스가 변경되어도 전체 애플리케이션을 다시 컴파일하지 않아도 되며, 애플리케이션의 변경사항이 발생해도 비교적 적은 작업만으로도 처리할 수 있는 유연한 애플리케이션을 작성할 수 있다.

 

 

* 자바의 단점으로는 속도 문제가 가장 대표적인데, 바이트 코드를 하드웨어의 기계어로 바로 변환해주는 JIT 컴파일러와 Hotspot 과 같은 기술의 도입으로 JVM의 기능이 향상됨 으로서 속도문제가 상당히 개선되었다.

 

 

 

참고 : https://velog.io/@woo00oo/%EC%9E%90%EB%B0%94-%EC%BB%B4%ED%8C%8C%EC%9D%BC-%EA%B3%BC%EC%A0%95

자바 컴파일 과정