[JAVA] 컴파일 / 런타임 / JVM / 메모리 구조

컴파일 (Compile)

소스코드가 기계어로 변환되는 과정 (컴파일러 javac가 자바 바이트 코드로 변환)

`.java` -> `.class` 

 

런타임 (Runtime)

프로그램이 실제로 실행되는 시간 

컴파일된 바이트 코드가 JVM 에 의해 실행되는 시점

 

 

컴파일과 런타임의 차이점

시점	프로그램 실행 전에, 코드 작성 후 컴파일 시점에 발생	프로그램 실행 중에 발생
목적	소스 코드의 오류를 미리 확인하고, 바이트코드로 변환	실제로 프로그램을 실행하고 동적 오류를 처리
오류 처리	문법 오류, 타입 오류, 체크 예외 미처리 등 (컴파일 시 발생)	런타임 예외(배열 인덱스 초과, null 참조 등) (실행 시 발생)
예시 오류	구문 오류, 타입 오류, 체크 예외 미처리	NullPointerException, ArrayIndexOutOfBoundsException 등
예외 처리 강제 여부	체크 예외는 반드시 처리해야 함 (try-catch 또는 throws)	예외 처리 여부가 강제되지 않음 (언체크 예외)

 

 

JVM(Java Virtual Machine) 구조

 

클래스 로더(Class Loader)가 컴파일된 자바 바이트코드를

런타임 데이터 영역(Runtime Data Areas)에 로드하고

실행 엔진(Execution Engine)이 자바 바이트코드를 실행한다.

 

 

 

JVM 은 크게 4가지로 구성

(1) Class Loader (클래스 로더)

컴파일타임이 아닌 런타임에 클래스를 처음으로 참조할 떄 해당 클래스를 로드하고 링크한다. (= 동적로드) 

동적 로드를 담당하는 부분이다.

 

* 동적로드

프로그램이 실행 중 (런타임)에 클래스, 메서드, 리소스 등을 동적으로 메모리에 로드하거나 호출하는 것

(정적로드는 컴파일 할 때 로드됨)

 

 

 

(2) Runtime Data Area (런타임 데이터 영역) 

JVM 프로그램이 운영체제 위해서 실행되면서 할당 받는 메모리 영역

6개의 영역으로 나눌 수 있음

 

 

 

 

(3) Execution Engine (실행 엔진)

 클래스 로더를 통해 JVM 내 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 실행함

명령어 단위로 읽어서 실행한다 ( CPU 동작과 유사 )

 

* 인터프리터

바이트 코드 언어는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작하며, 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행하기 때문에 하나하나의 해석은 빠르지만 결과까지의 실행은 느리다. 

 

* JIT (Just-In-Time) 컴파일러

런타임 시점 / 인터프리터 단점을 보완, 인터프리터 방식으로 실행 후 적절한 시점에 바이트 코드 전체를 컴파일 하여 네이티브 코드로 변경 후 더이상 인터프리징 없이 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식

(네이티브 코드는 캐시에 보관되어서, 한 번 컴파일 된 코드는 계속 빠르게 수행될 수 있게됨

JIT 컴파일 방식은 인터프리팅보다 오래걸린다. 한번 실행을 위한 코드이면 인터프리터가 효율적이다.

JIT 컴파일러를 사용하는 JVM 은 메서드의 수행 정도를 체크하고 일정 정도가 넘을 때에만 컴파일을 수행한다. )

(JAVA , .NET Framework, JavaScript 에서 사용됨)

 

(+) 네이티브 컴파일러

컴파일(빌드) 시점 / 소스 코드를 직접 기계어로 변환하여 실행함, 바이트 코드 없이 다이렉트로 기계어로 변환하기 때문에 실행 속도를 극대화 한다. 하지만 플랫폼에 종속적이다. 특정 운영체제에서만 실행 가능함

( C, C++, Rust , Go 에서 사용됨)

 

네이티브 컴파이러 / 바이트코드 컴파일러

출력 코드	기계어 코드(Binary)	바이트코드(Bytecode)
실행 방식	직접 실행 가능	가상 머신(JVM 등)에서 실행
속도	빠름	중간 단계 처리로 상대적으로 느림
운영 체제 의존성	OS 및 CPU 아키텍처에 종속	플랫폼 독립적 (가상 머신 사용)

 

 

 

(4) Garbage Collector

 

• Heap 메모리 영역에 생성된 객체들 중 참조되지 않은 객체를 제거하는 역할을 함.
• GC의 발생은 정해져있지 않아서 언제 객체를 정리하는지 알 수 없다. 
• 개발자가 수동으로 매모리 해제를 할 수 없음

 

1. 메모리 누수 방지 : 프로그램 성능 저하, 비정상 종료 등 방지

2. 안전성 증가 : 메모리 누수 및 잘못된 메모리 해제 방지.

3. 생산성 향상  : 메모리 관리 코드 작성 불필요.

 

메모리 구조

https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fbrunch.co.kr%2F%40i-intheworld%2F648&psig=AOvVaw3kEWq7JGSaFz7zm11d3LVf&ust=1741956791214000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBQQjRxqFwoTCIjrvPCMh4wDFQAAAAAdAAAAABAg

 

 

 

기본적으로 메모리 종류는 이렇다.

레지스터(CPU 안), 캐시메모리(CPU 와 RAM 사이 위치), 메인메모리(RAM) , 보조기억장치(HDD, SSD) 

 

여기서 주로 볼것은 메인메모리이다.

우리가 프로그램이 실행되면 RAM 에 할당된다.

 

 

 

Stack : LIFO 방식, 메서드의 지역 변수, 참조 변수 , 함수호출시 함수의 정보들이 스택에 쌓이고 종료되면 제거

Heap  : 객체, 배열 등 동적 메모리 할당 영역, 힙 메모리는 크기가 가변적 (사용이 끝나면 해제해줘야함)

Code : 읽기 전용(Read-only)  개발자가 작성한 프로그램 함수 (main 함수 코드 , 라이브러리 함수 등등..)

Data :  프로그램이 사용하는 데이터 공간 ( 전역변수, static 변수 , 정적 변수 ) 

 

https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fzangzangs.tistory.com%2F107&psig=AOvVaw3kEWq7JGSaFz7zm11d3LVf&ust=1741956791214000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBQQjRxqFwoTCIjrvPCMh4wDFQAAAAAdAAAAABAo

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가비지 컬렉션

가비지 컬렉션은 자동으로 더 이상 사용되지 않는 객체를 찾아서 메모리에서 제거하는 프로세스임

동적 메모리 할동을 사용하는 JAVA, JavaScript 등에서 메모리 누수를 방지함 (자원 낭비 방지)

 

Mark-Sweep	살아있는 객체를 표시 후 제거	빠른 GC 수행 가능	메모리 단편화 발생
Mark-Sweep-Compact	객체 정리 후 메모리 압축	메모리 단편화 방지	Compact 과정으로 추가 비용 발생

 

Generational Garbage Collection : 새로생성된것은 young generation , 시간이 지나면 old 로 이동 ( 객체를 두 종류로 구분하여서 관리함)

 

가비지컬렉션은 따로 System.jc() 로 호출할 수는 있지만 어차피 자동으로 관리되기때문에 권장하지 않는다.

 

 

 📌기본 데이터타입, 변수들은 stack 에 할당한다. 

컴파일 시점에 할당

메서드가 실행동안만 존재 / 호출이 끝나면 해제됨

public void method() {
    int a = 10; // 기본 데이터 타입은 Stack에 할당
    SomeClass obj = new SomeClass(); // 참조 변수는 Stack에 할당
}

 

 

 📌 객체, 배열은 Heap 에 할당한다. 

런타임 시점에 할당

객체가 참조되는 동안은 존재 / 참조가 끊어지면 자동으로 해제됨

public void method() {
    SomeClass obj = new SomeClass(); // 객체는 Heap에 할당
}


int[] numbers = new int[10]; // 배열은 Heap에 할당

 

 

 

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-%EA%B0%80%EB%B9%84%EC%A7%80-%EC%BB%AC%EB%A0%89%EC%85%98GC-%EB%8F%99%EC%9E%91-%EC%9B%90%EB%A6%AC-%EC%95%8C%EA%B3%A0%EB%A6%AC%EC%A6%98-%F0%9F%92%AF-%EC%B4%9D%EC%A0%95%EB%A6%AC

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

https://blog.naver.com/rokey_89/221658053244

https://f-lab.kr/insight/java-compilation-process-jvm-20240806

https://err0rcode7.github.io/java/2021/05/16/JVM%EA%B3%BC%EC%9E%90%EB%B0%94%EC%9D%98%EC%8B%A4%ED%96%89.html