자바(JAVA) 컴파일 과정

자바(Java)는 플랫폼 독립성을 가지는 언어로, "Write Once, Run Anywhere"라는 철학 아래 설계되었습니다. 이를 가능하게 하기 위해 자바는 소스 코드를 중간 형태인 바이트코드(Bytecode)로 변환하고, 이 바이트코드를 JVM(Java Virtual Machine)이 실행하는 구조를 따릅니다. 자바 컴파일 과정을 설명하겠습니다.

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1. 자바 컴파일 과정

자바 컴파일 과정은 크게 세 단계로 이루어집니다:

1. 소스 코드 작성(Source Code Writing)
   • 개발자가 .java 확장자를 가진 파일에 자바 소스 코드를 작성합니다.
2. 컴파일(Compilation)
   • javac 컴파일러를 통해 자바 소스 코드가 바이트코드로 변환됩니다.
   • 결과물은 .class 파일로 저장됩니다.
3. 실행(Execution)
   • JVM이 바이트코드를 읽고 실행합니다.
   • 실행 중 JIT(Just-In-Time) 컴파일러가 바이트코드를 네이티브 코드로 변환합니다.

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2. 단계별 설명

2.1 소스 코드 작성

개발자는 자바 프로그래밍 언어의 문법을 사용하여 프로그램을 작성합니다. 이 코드는 .java 확장자를 가진 텍스트 파일에 저장됩니다. 

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

• 파일 이름: 클래스 이름과 동일해야 하며, HelloWorld.java로 저장합니다.
• 문법 검사: 개발자는 코드 작성 중 IDE(IntelliJ, Eclipse 등)나 에디터를 통해 문법 오류를 확인할 수 있습니다.

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2.2 컴파일 (javac 사용)

컴파일 과정에서 자바 소스 코드가 바이트코드로 변환됩니다. 이 과정은 다음과 같은 단계를 거칩니다 :)

2.2.1 구문 분석 (Lexical Analysis)

• 소스 코드를 토큰(token)으로 나눕니다.
• 키워드, 변수 이름, 리터럴 등을 식별하여 분석합니다.
• 예: public → 키워드, HelloWorld → 식별자(identifier).

 

2.2.2 구문 트리 생성 (Syntax Analysis)

• 토큰을 기반으로 구문 트리를 생성합니다.
• 자바 문법에 맞는지 확인하고, 오류가 있다면 컴파일을 중단합니다.
• 예: System.out.println이 올바른 호출 형태인지 검사합니다.

 

2.2.3 중간 표현 생성 (Intermediate Representation)

• 구문 트리를 기반으로 중간 표현(intermediate representation)을 생성합니다.
• 이 표현은 최적화를 용이하게 하기 위해 사용됩니다.

 

2.2.4 바이트코드 생성 (Bytecode Generation)

• .class 파일에 저장될 바이트코드를 생성합니다.
• 바이트코드는 플랫폼에 독립적이며 JVM이 이해할 수 있는 명령어로 구성됩니다.
• 예: System.out.println("Hello, World!") → JVM 명령어로 변환됩니다.

컴파일 명령 실행

컴파일 명령어를 사용하여 .class 파일을 생성합니다:

javac HelloWorld.java

컴파일 결과, 같은 디렉토리에 HelloWorld.class 파일이 생성됩니다.

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2.3 실행 (JVM 사용)

JVM(Java Virtual Machine)은 .class 파일을 실행합니다. JVM은 다음 단계를 통해 프로그램을 실행합니다:)

2.3.1 클래스 로딩 (Class Loading)

• ClassLoader가 .class 파일을 읽어 JVM 메모리에 로드합니다.
• 클래스 간의 의존성을 확인하고 필요한 클래스도 함께 로드합니다.

 

2.3.2 바이트코드 검증 (Bytecode Verification)

• 로드된 바이트코드가 JVM 명세를 준수하는지 확인합니다.
• 보안 위협을 방지하기 위해 무효한 명령어나 메모리 접근이 없는지 검사합니다.

 

2.3.3 실행 엔진 (Execution Engine)

• 바이트코드를 실행하는 핵심 구성 요소입니다.
• 두 가지 주요 방식으로 실행합니다:
  1. 인터프리터(Interpreter): 바이트코드를 한 줄씩 읽고 실행합니다.
  2. JIT(Just-In-Time) 컴파일러: 실행 성능을 높이기 위해 바이트코드를 네이티브 머신 코드로 변환합니다.

 

2.3.4 네이티브 메서드 실행

• 네이티브 코드(Java로 작성되지 않은 코드)를 호출해야 할 경우 네이티브 메서드 라이브러리를 사용합니다.
• 예: C로 작성된 I/O 작업 수행.

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3. 결과

위 과정을 통해 자바 프로그램은 작성한 코드가 실행되어 결과를 출력하게 됩니다. 예를 들어:

java HelloWorld

출력 결과:

Hello, World!

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JIT 컴파일

• JIT 컴파일러는 실행 중 바이트코드를 네이티브 코드로 변환하여 실행 속도를 향상시킵니다.
• 동일한 코드가 반복 실행될 경우 최적화가 적용됩니다.

가비지 컬렉션 (Garbage Collection)

• JVM은 자동으로 메모리를 관리하며, 더 이상 참조되지 않는 객체를 제거하여 메모리를 확보합니다.