Execution of Java Program

  1. IDE(Ex. IntelliJ)를 사용하여 Program.java 코드를 작성한다.
  2. Java Compiler(javac) 가 자바 소스 코드를 참고하여 클래스 파일(Program.class)을 생성한다.
  3. 생성된 클래스 파일은 JVM 이 설치되어있는 환경이면 어디에서든지 실행 가능하다.
  4. JVM 은 바이트 코드를 Interpreter 를 사용하여 한 줄 씩 기계어로 번역한다.

Compiler

컴파일이란 고수준 프로그래밍 언어(High-Level Programming Language, HLL)로 작성된 프로그램을 소스 코드에서 객체 코드(Object Code)로 변환하는 것을 의미한다.

  • Source Code: 원시 코드
  • Object Code: 목적 코드
    • Compiler 에 의해 생성된 코드를 의미한다.

그러면 저수준 언어(Low-Level Language)는 무엇일까? 저수준 언어는 기계어나 어셈블리어를 의미하며, 고수준 프로그래밍 언어보다 하드웨어에 더 밀접한 언어이다.

컴파일러와 인터프리터는 고수준 프로그래밍 언어로 작성된 프로그램을 기계어로 변환한다는 공통점이 있다. 단, 변환 과정에서 차이가 존재한다.

컴파일러만을 사용하는 대표적인 언어로 C 언어가 있다. 컴파일러는 런타임 이전에 전체 소스 코드를 기계어로 변환시킨다. 컴파일 결과물이 바로 기계어가 되기 때문에 OS 에 종속적이다. 따라서, 대부분의 하드웨어 제어 시스템을 만들 때 C 언어를 쓰는 이유 중 하나가 Compiler 를 사용하기 때문이다.

이렇게 소스 코드를 빌드하였을 때 특정 플랫폼에서만 사용가능한 기계어로 컴파일되는 형식을 AOT(Ahead of Time) Compile 이라고 한다.

컴파일러의 단점이라고 하면 프로그램 크기가 크면, 컴파일 타임이 증가한다는 것이 있겠다.

Interpreter

인터프리터만을 사용하는 대표적인 언어로는 파이썬이 있다. 인터프리터는 소스 코드를 바로 기계어로 바꾸지 않고 중간 단계를 거친 뒤, 런타임 시에 한 줄씩 기계어로 해석한다. 컴파일러와 달리 한 줄씩 해석하기 때문에 컴파일 방식보다는 속도가 느리다. 대신, 프로그램을 즉시 실행할 수 있으며 런타임에 디버깅 및 값 변경이 가능하다. 또한 플랫폼에 종속적이지 않다.

런타임에 코드를 구동시키기 때문에, 필요할 때마다 메모리에 올려서 사용한다. 이것을 동적 적재(Dynamic Loading)라고 한다.

중간 단계 언어 : Java 로 따지면 ByteCode, C# 으로 따지면 IL(Intermediate Language)

자바에서는 ClassLoader 를 사용하여 클래스를 동적 적재(Dynamic Loading)를 할 수 있다.

자바에서 Compiler 와 Interpreter 를 같이 사용하는 이유

자바는 WORA(Write Once Run Anywhere) 의 특징을 갖고 있고, 플랫폼에 독립적이다. 반면, JVM 은 플랫폼(OS)에 종속적이다.

이와 같은 말을 자바를 공부한 사람이라면 많이 들어봤을 것이다.

자바는 Compiler 를 사용하여 중간 단계 언어인 바이트 코드로 변환한 다음 Class Loader 가 클래스 파일을 JVM 의 메모리 영역(Memory Area)에 로드한다. 그리고 JVM 에서는 Interpreter 를 사용하여 기계어로 해석한다.

자바로 작성된 언어가 플랫폼에 종속적이지 않은 이유는 JVM 에서 Interpreter 를 사용하기 때문이다.

그러면 JVM 은 왜 플랫폼에 종속적일까?

개발 환경에서는 Windows 를 사용하고 배포 환경에서는 Linux 를 사용한다. 각 OS 에서는 Java 로 작성된 프로그램을 실행시키기 위해 JDK 가 설치되어있어야 한다. 즉, 플랫폼에 종속적인것을 볼 수 있다.

Oracle 에서 JDK 를 다운로드 받으려고하면 플랫폼을 선택할 수 있게 나온다. 자바로 작성된 프로그램은 어떤 OS 던지간에 JVM 만 설치되어있으면, JVM 이 Interpreter 를 사용하여 기계어로 해석하기 때문에, 자바는 플랫폼에 독립적이고, JVM 은 플랫폼에 종속적이다.

JIT Compiler

자바로 작성된 프로그램은 느리다라는 말이 있다. Compiler 와 Interpreter 의 특징을 기억하면 된다. 이러한 특징들 때문에, 자바에서 JIT Compiler 를 도입했다.

자바는 Profile-Guided Optimization(PGO) 프로필 기반 최적화를 응용하는 환경이므로 AOT 플랫폼에서 불가능한 방식으로, 런타임 정보를 활용할 여지가 있다. 따라서 동적 인라이닝, 가상 호출 등으로 성능을 개선할 수 있다.

Java SE 9에서는 AOT 가 실험 기능으로 추가되었다고 한다.

JIT(Just-In-Time) 컴파일러는 런타임 시 Java 기반 애플리케이션의 성능 최적화를 담당하는 JRE 의 필수 부분이다.

  • JIT Compiler 는 런타임에 바이트 코드를 Native Machine Code 로 변환한다.
  • 같은 함수가 여러 번 호출되는 경우에, 기계어로 변환된 함수의 코드를 캐싱해두어서 재사용한다.
  • 이름이 JIT(Just In Time)인 이유는, 기계어로의 변환은 코드가 실행 되는 과정(런타임)에 실시간으로 일어나며, 전체 코드의 필요한 부분만 변환하기 때문이다.
  • 기계어로 변환된 코드는 캐시에 저장되기 때문에 재사용시 컴파일을 다시 할 필요가 없다.

바이트 코드(Byte Code) : JVM 이 이해할 수있는 0과 1로 구성된 이진 코드(Binary Code)

Native Machine Code : 기계어, 컴퓨터가 이해할 수 있는 0과 1로 구성된 이진 코드(Binary Code)

따라서, 모든 이진 코드(Binary Code) 는 기계어가 아니다.