기술 면접 준비 1. Java 언어의 특징 (+JVM과 자바의 컴파일 방식, JRE vs JDK)

Java란?

• 썬 마이크로시스템즈(Sun Microsystems, Inc.)에서 개발하여 1996년 1월에 공식적으로 발표한 객체지향 프로그래밍언어
• 초기에 제임스 고슬링(James Gosling)이란 엔지니어를 중심으로 가전제품에 사용할 소프트웨어를 개발하다 플랫폼에 독립적이면서도 적은 메모리를 사용하는 새로운 언어의 필요성을 느끼고 개발하게 된 언어

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Java 언어의 특징 

1. 자바가상머신(JVM) : 운영체제에 독립적이다.

자바 응용프로그램은 운영체제나 하드웨어가 아닌 JVM하고만 통신하고, JVM이 자바 응용프로그램으로부터 전달받은 명령을 해당 운영체제가 이해할 수 있도록 변환하여 전달한다. 자바로 작성된 프로그램은 운영체제에는 독립적이지만 JVM은 운영체제에 종속적이므로 여러 운영체제에 설치할 수 있는 서로 다른 버전의  JVM을 제공하고 있다.

2. 객체지향언어이다.

 대표적인 객체지향언어

3. Garbage Collection : 자동 메모리 관리

자바로 작성된 프로그램이 실행되면, 가비지컬렉터(Garbage Collector)가 자동적으로 메모리를 관리

4. 멀티쓰레드 지원

하나의 프로그램 단위가 동일한 쓰레드를 동시에 수행할 수 있다. 

운영체제마다 멀티 쓰레드를 이용하는  API가 다르나 자바의 경우 자바 API를 사용하기 때문에 쉽게 구현할 수 있다. 

5. 동적 로딩(Dynamic Loading) 지원

보통 자바로 작성된 애플리케이션은 여러 개의 클래스로 구성되어 있음. 자바는 동적 로딩을 지원하기 때문에 실행 시 모든 클래스가 로딩되지 않고 필요한 시점에 클래스를 로딩하여 사용할 수 있다.

 

 

예상 질문 1. 자바 언어의 특징 
자바 언어는 JVM 위에서 동작하기 때문에 운영체제에 독립적입니다. 
또한 객체지향언어이며, 가비지 컬렉터를 통해 자동으로 메모리를 관리합니다. 
멀티쓰레드와 동적로딩을 지원합니다

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JVM(자바가상머신, Java Virtual Machine)

Java로 개발한 프로그램(*.java)을 컴파일하여 만들어지는 바이트코드(*.class)를 실행시키기 위한 가상 머신

여기서 바이트코드(Java bytecode)는 JVM이 이해할 수 있는 언어로 변환된 자바 소스코드를 의미한다. 자바 컴파일러에 의해 변환된 코드의 명령어 크기가 1바이트라서 자바 바이트코드라 불리고 있다. 

 

Java 소스 코드는 javac 컴파일러를 거쳐 바이트 코드로 변환되며, 이 바이트코드는  JRE에 들어있는 java classloader에 의해 JVM으로 적재되고 JVM은 적재된 바이트코드를  JIT  컴파일 방식으로 실행하는 컴퓨터의 OS 및 CPU 아키텍처용 기계어(0과 1로 구성된 바이너리코드)로 번역되어 수행한다. 

 

출처 : https://namu.wiki/w/Java%20Virtual%20Machine

 

JVM 구조

• 클래스 로더(Class Loader)
• 실행 엔진(Execution Engine)
  • 인터프리터(Interpreter) : 바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행
  • JIT 컴파일러(Just-in-Time)
  • 가비지 콜렉터(Garbage collector)
• 런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
  • 메소드 영역
  • 힙 영역
  • PC Register
  • 스택 영역
  • 네이티브 메소드
• 네이티브 메소드 인터페이스(Native Method Interface)
• 네이티브 메소드 라이브러리(Native Method Library)

클래스 로더(Class Loader)
- JVM 내로 클래스 파일(*.class)을 동적으로 로드하고, 링크를 통해 배치하는 작업을 수행하는 모듈로 바이트 코드(*.class)를 엮어서 JVM의 메모리 영역인 Runtime Data Areas에 배치클래스를 메모리에 올리는 로딩 기능은 한 번에 메모리에 올리지 않고, 애플리케이션에서 필요한 경우 동적으로 메모리에 적재함

실행 엔진(Execution Engine)
- 클래스 로더를 통해 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트 코드를 명령어 단위로 읽어서 실행
- 인터프리터, JIT 컴파일러 방식이 있음

인터프리터(Interpreter)
- 바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 바로 실행

JIT 컴파일러(Just-in-Time)
- Interpreter의 단점을 보완하기 위해 도입된 방식으로 반복되는 코드를 발견하여 바이트코드 전체를 컴파일하여 Native Code(C언어, C++, 어셈블리어로 구성된 코드)로 변경하고 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅하지 않고 캐싱해 두었다가 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식. 위의 방식도 전체를 컴파일 하는데 비용이 소모 되므로 JVM은 모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고 인터프리터 방식을 사용하다가 일정 수준이 넘어가면 JIT 컴파일을 방식으로 실행

가비지 콜렉터(Garbage Collector)
- Heap 메모리 영역에서 더는 사용하지 않는 메모리를 자동으로 회수

런타임 데이터 영역(Runtime Data Area)
- JVM의 메모리 영역으로 자바 애플리케이션을 실행할 때 사용되는 데이터들을 적재하는 영역

 

 

예상 질문 2. JVM이란? 자바의 실행 방식과 함께 설명해주세요. 

JVM이란 Java Virtual Machine의 약자로, 자바 바이트코드를 CPU가 읽을 수 있는 바이너리 코드르 번역하여 실행시켜주는 가상 머신입니다. 자바 언어로 쓰인 java 파일은 javac 컴파일러를 통해 자바 바이트코드로 변환됩니다. 변환된 바이트코드를 JVM의 클래스 로더가 런타임 데이터 영역에 배치하고, 실행 엔진을 통해 실행합니다. 실행 엔진에 있는 인터프리터와 JIT 컴파일러를 통해 이 자바 바이트코드를 OS환경이 읽을 수 있는 바이너리 코드로 변환하여 각각의 운영체제에서 프로그램을 실행할 수 있도록 합니다. 

 

 

예상 질문 3. 자바의 컴파일 과정

컴파일(Compile)이란?
인간이 이해할 수 있는 언어로 작성된 소스 코드(고수준 언어: C, C++, Java 등)를 CPU가 이해할 수 있는 언어(저수준 언어: 기계어)로 번역(변환)하는 작업

자바는 javac.exe 컴파일러를 통해 자바 바이트 코드로 변홥됩니다. 그리고 이 바이트코드는 JVM의 클래스로더로 전달됩니다. 클래스 로더는 동적로딩을 통해 필요한 클래스들을 로팅 및 링하여 런타임 데이터 영역에 올립니다. JVM의 실행 엔진은  인터프리터와 JIT 컴파일러를 통해 CPU가 이해할 수 있는 기계어(바이너리 코드)로 변환하여 운영체제 위해서 프로그램이 실행될 수 있도록 합니다. 

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JDK와 JRE

JDK(Java Development Kit) vs JRE(Java Runtime Enviroment)

JDK라 자바 프로그램을 실행하고 컴파일하고 개발하는데 사용하는 도구로 JRE와 JVM을 포함한다. 

만면, JRE는 자바 프로그램을 실행할 수 있게 하는 도구로 JVM을 포함하고 있다. 

• JRE는 자바 실행 환경(Java Runtime Enviroment)의 약자로 자바로 만들어진 프로그램을 실행시키는데 필요한 라이브러리들과 각종 API, 그리고 자바 가상 머신(JVM)을 포함하고 있다. 쉽게 자바로 쓰기(개발)는 안되고 읽기(실행)만 가능하도록 하는 도구라고 생각할 수 있음
• JDK는 자바 개발 키드(Java Development Kit)의 약자로 개발시 필요한 라이브러리들과 javac, javadoc 등 개발 도구와 함께 JRE를 포함하고 있음

사용자 디렉터리 구조

• bin : 자바 개발과 실행에 필요한 도구와 유틸리티 명령
• conf : 여러 종류의 패치 파일
• include : 네이티브 코드 프로그래밍에 필요한 C언어 헤드 파일
• jmods : 컴파일된 모듈 파일
• legal : 각 모듈에 대한 저작권과 라이선스
• lib : 실행에 필요한 라이브러리 클래스

bin 디렉터리에 들어있는 주요 개발 소프트웨어 

• javac : 자바 컴파일러, 자바 소스를 바이트코드로 변환
• java : 자바 프로그램 실행기, JVM을 작동하여 자바 프로그램 실행
• javadoc : 자바 소스로부터 HTML 형식의 API 도큐먼트 생성
• jar : 자바 클래스 파일을 압축한 자바 아카이브 파일 생성, 관리
• jmod : 자바의 모듈 파일(.jmd)을 만들거나 모듈 파일의 내용 출력
• jlink : 응용프로그램에 맞춘 맞춤형 JRE 생성
• jdb : 자바 응용프로그램의 실행 중 오류를 찾는데 사용하는 디버거 
• javap : 클래스 파일의 바이트코드를 소스와 함께 보여주는 디어셈블러

예상 질문 4. JDK와 JRE의 차이점 

JRE는 자바 프로그램 실행 환경의 약자로 자바를 실행시키는데 필요한 라이브러리와 API 그리고 JVM을 포함하고 있습니다. JDK는 자바를 개발하는 필요한 도구 모음으로 개발시 필요로하는 라이브러리와 javac, javadoc 등의 개발 도구와 함께 JRE까지 포함하는 개념입니다.  

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참고자료

명품 Java Programming (황기태, 김효수)

Java의 정석 (남궁성)

[JAVA] JVM이란? 개념 및 구조 (JDK, JRE, JIT, 가비지 콜렉터...)

 

☕ JVM 내부 구조 & 메모리 영역 💯 총정리

 

[Java] 자바 JDK, JRE의 차이점(JDK란? JRE란?)