JVM 이해하기 - 3 (JVM 구조 - 클래스로더, 런타임 데이터 영역, 실행 엔진)

참고자료 - d2.naver.com/helloworld/1230

위 페이지에서 가져온 내용입니다.

 

 

자바 코드 수행 과정

클래스 로더(Class Loader)가 컴파일된 자바 바이트코드를 런타임 데이터 영역(Runtime Data Areas)에 로드하고, 실행 엔진(Execution Engine)이 자바 바이트코드를 실행.

클래스 로더

자바는 동적 로드, 즉 컴파일 타임이 아니라 런타임에 클래스를 처음으로 해당 클래스를 로드하고 링크하는 특징이 있다. 이 동적 로드를 담당하는 부분이 JVM의 클래스 로더이다. 자바 클래스 로더의 특징은 다음과 같다.

• 계층 구조: 클래스 로더끼리 부모-자식 관계를 이루어 계층 구조로 생성된다. 최상위 클래스 로더는 부트스트랩 클래스 로더(Bootstrap Class Loader)이다.
• 위임 모델: 계층 구조를 바탕으로 클래스 로더끼리 로드를 위임하는 구조로 동작한다. 클래스를 로드할 때 먼저 상위 클래스 로더를 확인하여 상위 클래스 로더에 있다면 해당 클래스를 사용하고, 없다면 로드를 요청받은 클래스 로더가 클래스를 로드한다.
• 가시성(visibility)제한: 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더의 클래스를 찾을 수 있지만, 상위 클래스 로더는 하위 클래스 로더의 클래스를 찾을 수 없다.
• 언로드 불가: 클래스 로더는 클래스를 로드할 수는 있지만 언로드 할 수 없다. 언로드 대신, 현재 클래스 로더를 삭제하고 아예 새로운 클래스 로더를 생성하는 방법을 사용할 수 있다.

각 클래스 로더는 로드된 클래스들을 보관하는 네임스페이스(namespace)를 갖는다. 클래스를 로드할 때 이미 로드된 클래스인지 확인하기 위해서 네임스페이스에 보관된 FQCN(Fully Qualified Class Name)을 기준으로 클래스를 찾는다. 비록 FQCN이 같더라도 네임스페이스가 다르면, 즉 다른 클래스 로더가 로드한 클래스이면 다른 클래스로 간주된다.

 

클래스 로더 위임 모델을 표현한 그림

 

클래스 로더가 클래스 로드를 요청받으면, 클래스 로더 캐시, 상위 클래스 로더, 자기 자신의 순서로 해당 클래스가 있는지 확인한다. 즉, 이전에 로드된 클래스인지 클래스 로더 캐시를 확인하고, 없으면 상위 클래스 로더를 거슬러 올라가며 확인한다. 부트스트랩 클래스 로더까지 확인해도 없으면 요청받은 클래스 로더가 파일 시스템에서 해당 클래스를 찾는다.

• 부트스트랩 클래스 로더: JVM을 기동할 때 생성되며, Object 클래스들을 비롯하여 자바 API들을 로드한다. 다른 클래스 로더와 달리 자바가 아니라 네이티브 코드로 구현되어 있다.
• 익스텐션 클래스 로더(Extension Class Loader): 기본 자바 API를 제외한 확장 클래스들을 로드한다. 다양한 보안 확장 기능등을 여기에서 로드하게 된다.
• 시스템 클래스 로더(Sysytem Class Loader): 부트스트랩 클래스 로더와 익스텐션 클래스 로더가 JVM 자체의 구성 요소들을 로드하는 것이라 한다면, 시스템 클래스 로더는 애플리케이션의 클래스들을 로그한다고 할 수 있다. 사용자가 지정한 $CLASSPATH 내의 클래스들을 로드한다.
• 사용자 정의 클래스 로더(User-Defined Class Loader): 애플리케이션 사용자가 직접 코드 상에서 생성해서 사용하는 클래스 로더이다.

웹 애플리케이션 서버(WAS)와 같은 프레임워크는 웹 애플리케이션들, 엔터프라이즈 애플리케이션들이 서로 독립적으로 동작하게 하기 위해 사용자 정의 클래스 로더를 사용한다. 즉, 클래스 로더의 위임 모델을 통해 애플리케이션의 독립성을 보장하는 것이다. 이와 같은 WAS의 클래스 로더 구조는 WAS 벤더마다 조금씩 다른 형태의 계층 구조를 사용하고 있다.

클래스 로더가 아직 로드되지 않은 클래스를 찾으면, 다음 그림과 같은 과정을 거쳐 클래스를 로드하고 링크하고 초기화한다.

클래스 로더가 아직 로드되지 않은 클래스를 찾으면, 다음 그림과 같은 과정을 거쳐 클래스를 로드하고 링크하고 초기화한다.

 

클래스 로드 단계

 

각 단계를 간단히 설명하면 다음과 같다.

• 로드: 클래스를 파일에서 가져와서 JVM의 메모리를 로드한다.
• 검증(Verifying): 읽어 들인 클래스가 자바 언어 명세(Java Language Specification)및 JVM명세에 명시된 대로 잘 구성되어 있는지 검사한다. 클래스 로드의 전 과정 중에서 가장 까다로운 검사를 수행하는 과정으로서 가장 복잡하고 시간이 많이 걸린다.
  JVM TCK의 테스트 케이스 중에서 가장 많은 부분이 잘못된 클래스를 로드하여 정상적으로 검증 오류를 발생시키는지 테스트하는 부분이다.

• 준비(Preparing): 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당하고, 클래스에서 정의된 필드, 메서드, 인터페이스들을 나타내는 데이터 구조를 준비한다.
• 분석(Resolving): 클래스의 상수 풀 내 모든 심볼릭 레퍼런스를 다이렉트 레퍼런스로 변경한다.
• 초기화: 클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화한다. 즉, static initializer들을 수행하고, static 필드들을 설정된 값으로 초기화한다.

JVM 명세는 이들 작업들에 대해 명시하고 있으나 작업에 따라서 수행 시점은 유연하게 적용할 수 있도록 하고 있다.

런다임 데이터 영역

런타임 데이터 영역 구성

런타임 데이터 영역은 JVM이라는 프로그램이 운영체제 위에서 실행되면서 할당받는 메모리 영역이다. 런타임 데이터 영역은 6개의 영역으로 나눌 수 있다.

• 이중 PC 레지스터(PC Register)
• JVM스택(JVM Stack)
• 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack)

위 3가지는 스레드마다 하나씩 생성되며

• 힙(Heap)
• 메서드 영역(Method Area)
• 런타임 상수 풀(Runtime Constant Pool)

위 2가지는 모든 스레드가 공유해서 사용한다.

• PC 레지스터: PC(Program Counter) 레지스터는 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성된다. PC 레지스터는 현재 수행 중인 JVM 명령의 주소를 갖는다.
• JVM 스택: JVM스택은 각 스레드마다 하나씩 존재하며 스레드가 시작될 때 생성된다. 스택 프레임(Stack Frame)이라는 구조체를 저장하는 스택으로, JVM은 오직 JVM 스택에 스택 프레임을 추가하고(push) 제거하는(pop)동작만 수행한다. 예외 발생시 printStackTrace()등의 메서드로 보여주는 Stack Trace의 각 라인은 하나의 스택 프레임을 표현한다.

JVM 스택 구성

• 스택 프레임: JVM 내에서 메서드가 수행될 때마다 하나의 스택 프레임이 생성되어 해당 스레드의 JVM 스택에 추가되고 메서드가 종료되면 스택 프레임이 제거된다.
   각 스택 프레임은 지역 변수 배열(Local Variable Array), 피연산자 스택(Operand Stack), 현재 실행 중인 메서드가 속한 클래스의 런타임 상수 풀에 대한 레퍼런스를 갖는다. 지역 변수 배열, 피연산자 스택의 크기는 컴파일 시에 결정되기 때문에 스택 프레임의 크기도 메서드에 따라 크기가 고정된다.
  • 지역 변수 배열: 
    0부터 시작하는 인덱스를 가진 배열이다. 0은 메서드가 속한 클래스 인스턴스의 this 레퍼런스이고, 1부터는 메서드에 전달된 파라미터들이 저장되며, 메서드 파라미터 이후에는 메서드의 지역 변수들의 저장된다
  • 피연산자 스택:
    메서드의 실제 작업 공간이다. 각 메서드는 피연산자 스택과 지역 변수 배열 사이에서 데이터를 교환하고, 다른 메서드 호출 결과를 추가하거나(push)꺼낸다(pop). 피연산자 스택 공간이 얼마나 필요한지는 컴파일할 때 결정할 수 있으므로, 피연산자 스택의 크기도 컴파일 시에 결정된다.
• 네이티브 메서드 스택: 자바 외의 언어로 작성된 네이티브 코드를 위한 스택, 즉, JNI(Java Native Interface)를 통해 호출하는 C/C++ 등의 코드를 수행하기 위한 스택으로, 언어에 맞게 C스택이나 C++ 스택이 생성된다.
  
  
• 메서드 영역: 메서드 영역은 모든 스레드가 공유하는 영역으로 JVM이 시작될 때 생성된다. JVM이 읽어 들인 각각의 클래스와 인터페이스에 대한 런타임 상수 풀, 필드와 메서드 정보, Static 변수, 메서드의 바이트코드 등을 보관한다. 메서드 영역은 JVM 벤더마다 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 오라클 핫스팟 JVM(HotSpot JVM)에서는 흔히 Permanent Area, 혹은 Permanent Generation(PermGen)이라고 불린다. 메서드 영역에 대한 가비지 컬렉션은 JVM벤더의 선택 사항이다.
  
  
• 런타임 상수 풀: 클래스 파일 포맷에서 constant_pool 테이블에 해당하는 영역이다. 메서드 영역에 포함되는 영역이긴 하지만, JVM 동작에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 곳이기 때문에 JVM 명세에서도 따로 중요하게 기술한다. 각 클래스와 인터페이스의 상수뿐만 아니라, 메서드와 필드에 대한 모든 레퍼런스까지 담고 있는 테이블이다. 즉 어떤 메서드나 필드를 참조할 때 JVM은 런타임 상수 풀을 통해 해당 메서드나 필드의 실제 메모리상 주소를 찾아서 참조한다.
  
  
• 힙: 인스턴스 또는 객체를 저장하는 공간으로 가비지 컬렉션 대상이다. JVM 성능 등의 이슈에서 가장 많이 언급되는 공간이다. 힙 구성 방식이나 가비지 컬렉션 방법 등은 JVM 벤더의 재량이다.

---

public void add(java.lang.String);  
Code:  
0: aload_0  
1: getfield #15; //Field admin:Lcom/nhn/user/UserAdmin;  
4: aload_1  
5: invokevirtual #23; //Method com/nhn/user/UserAdmin.addUser:(Ljava/lang/String;)Lcom/nhn/user/User;  
8: pop  
9: return  

 이렇게 역어셈블된 코드와 우리가 가끔 접할 수 있는 x86 아키텍처의 어셈블리 코드를 비교해 보면, 비록 OpCode [피연산자]라는 형식은 유사해 보이지만, 피연산자에 레지스터 이름이나 메모리 주소나 오프셋을 쓰지 않는다는 차이점을 확인할 수 있다. 앞에서 설명했듯이, JVM은 스택을 사용하므로 레지스터를 사용하는 x86 아키텍처와는 달리 레지스터를 사용하지 않으며, 또한 자체적으로 메모리를 관리하므로 실제 메모리 주소 대신 15, 23 같은 인덱스 번호를 사용하는 것이다. 이 15, 23은 현재 클래스(여기서는 UserService 클래스)가 가지는 상수 풀의 인덱스이다. 즉, JVM은 각 클래스마다 상수 풀을 생성하여, 실제 대상의 레퍼런스를 보관하고 있다.

위의 역어셈블된 코드의 각 줄을 간단히 해석하면 다음과 같다.

• aload_0: 지역 변수 배열의 0번 인덱스 내용을 피연산자 스택에 추가한다. 지역 변수 배열의 0번 인덱스는 언제나 this, 즉 현재 클래스 인스턴스에 대한 레퍼런스이다.
• getfield #15: 현재 클래스 상수 풀에서 15번 인덱스 내용을 피연산자 스택에 추가한다. 즉, UserAdmin admin 필드가 추가된다. admin 필드는 클래스 인스턴스이므로 레퍼런스가 추가된다.
• aload_1: 지역 변수 배열의 1번 인덱스 내용을 피연산자 스택에 추가한다. 지역 변수 배열의 1번 인덱스부터는 메서드 파라미터이다. 즉, add()를 호출하면서 전달한 String userName의 레퍼런스가 추가된다.
• invokevirtual #23: 현재 클래스 상수 풀에서 23번 인덱스 내용에 해당하는 메서드를 호출한다. 이때 앞서 getfield로 추가한 레퍼런스와 aload_1로 추가한 파라미터를 모두 꺼내서 호출하는 메서드에 전달한다. 메서드 호출이 완료되면 그 반환값을 피연산자 스택에 추가한다.
• pop: invokevirtual로 호출한 결과 반환값이 피연산자 스택에 들어가 있으므로 스택에서 꺼낸다. 예전 라이브러리로 컴파일한 코드에서는 이 부분이 없음을 확인할 수 있다. 즉, 예전 라이브러리에서는 반환값이 없으므로 반환값을 스택에서 꺼낼 필요가 없었다.
• return: 메서드를 완료한다.

이를 이해하기 쉽도록 아래와 같은 그림으로 표현하자.

런타임 데이터 영역에 로드된 자바 바이트코드의 예

 참고로 이 메서드에서는 지역 변수 배열이 변경되지 않았으므로 위 그림은 피연산자 스택 변경만 표시했다. 그러나 대부분의 경우 지역 변수 배열도 함께 변경된다. 지역 변수 배열과 피연산자 스택 간의 데이터 전달은 수많은 load(aload, iload 등) 및 store(asotre, istore 등) 명령어로 이뤄진다.

이 그림에서는 런타임 상수 풀과 JVM 스택의 내용만 간략하게 확인했다. 실제 동작에서는 각각의 클래스 인스턴스들이 힙에 할당되고, User, UserAdmin, UserService, String 등의 클래스 정보가 메서드 영역에 보관될 것이다.

 

실행 엔진

클래스 로더를 통해 JVM 내의 런타임 데이터 영역에 배치된 바이트코드는 실행 엔진에 의해 실행된다. 실행 엔진은 자바 바이트코드를 명령어 단위로 읽어서 실행한다. CPU가 기계 명령어을 하나씩 실행하는 것과 비슷하다. 바이트코드의 각 명령어는 1바이트짜리 OpCode와 추가 피연산자로 이루어져 있으며, 실행 엔진은 하나의 OpCode를 가져와서 피연산자와 함께 작업을 수행한 다음, 다음 OpCode를 수행하는 식으로 동작한다.

 그런데 자바 바이트코드는 기계가 바로 수행할 수 있는 언어보다는 비교적 인간이 보기 편한 형태로 기술된 것이다. 그래서 실행 엔진은 이와 같은 바이트코드를 실제로 JVM 내부에서 기계가 실행할 수 있는 형태로 변경하며, 그 방식은 다음 두 가지가 있다.

• 인터프리터:
  바이트코드 명령어를 하나씩 읽어서 해석하고 실행한다. 하나씩 해석하고 실행하기 때문에 바이트코드 하나하나의 해석은 빠른 대신 인터프리팅 결과의 실행은 느리다는 단점을 가지고 있다. 흔히 얘기하는 인터프리터 언어의 단점을 그대로 가지는 것이다. 즉, 바이트코드라는 '언어'는 기본적으로 인터프리터 방식으로 동작한다.
• JIT(Just-In-Time) 컴파일러:
  인터프리터의 단점을 보완하기 위해 도입된 것이 JIT 컴파일러. 인터프리터 방식으로 실행하다가 적절한 시점에 바이트코드 전체를 컴파일하여 네이티브 코드로 변경하고, 이후에는 해당 메서드를 더 이상 인터프리팅하지 않고 네이티브 코드로 직접 실행하는 방식이다. 네이티브 코드를 실행하는 것이 하나씩 인터프리팅하는 것보다 빠르고, 네이티브 코드는 캐시에 보관하기 때문에 한 번 컴파일된 코드는 계속 빠르게 수행되게 된다.

JIT컴파일러가 컴파일하는 과정은 바이트코드를 하나씩 인터프리팅하는 것보다 휠씬 오래 걸리므로, 만약 한 번만 실행되는 코드라면 컴파일 하지 않고 인터프리팅하는 것이 휠씬 유리하다. 따라서 JIT 컴파일러를 사용하는 JVM들은 내부적으로 해당 메서드가 얼마나 자주 수행되는지 체크하고, 일정 정도를 넘을 때에만 컴파일을 수행한다.

자바 컴파일러와 JIT컴파일러

실행 엔진이 어떻게 동작하는지는 JVM 명세에 규정되지 않았다. 따라서 JVM 벤더들은 다양한 기법으로 실행 엔진을 향상시키고 다양한 방식의 JIT 컴파일러를 도입하고 있다.

대부분의 JIT컴파일러는 다음 그림과 같은 형태로 동작

JIT 컴파일러

JIT 컴파일러는 바이트코드를 일단 중간 단계의 표현인 IR(Intermediate Representation)로 변환하여 최적화를 수행하고 그 다음에 네이티브 코드를 생성한다.

오라클 핫스팟 VM은 핫스팟 컴파일러라고 불리는 JIT 컴파일러를 사용한다. 핫스팟이라 불리는 이유는 내부적으로 프로파일링을 통해 가장 컴파일이 필요한 부분, 즉 '핫스팟'을 찾아낸 다음, 이 핫스팟을 네이티브 코드로 컴파일하기 때문이다. 핫스팟 VM은 한번 컴파일된 바이트코드라도 해당 메서드가 더 이상 자주 불리지 않는다면, 즉 핫스팟이 아니게 된다면 캐시에서 네이티브 코드를 덜어내고 다시 인터프리터 모드로 동작한다. 핫스팟 VM은 서버 VM과 클라이언트 VM으로 나뉘어 있고, 각각 다른 JIT 컴파일러를 사용한다.

핫스팟 클라이언트 VM과 서버VM

클라이언트 VM과 서버 VM은 각각 오라클 핫스팟 VM을 실행할 때 입력하는 -client, -server 옵션으로 실행된다. 클라이언트 VM과 서버 VM은 동일한 런타임을 사용하지만, 위 그림과 같이 다른 JIT 컴파일러를 사용한다. 서버 VM에서 사용하는 Advanced Dynamic Optimizing Compiler가 더 복잡하고 다양한 성능 최적화 기법을 사용하고 있다.

IBM JVM은 JIT 컴파일러뿐만 아니라 IBM JDK 6부터 AOT(Ahead-Of-Time) 컴파일러라는 기능을 도입했다. 이는 한번 컴파일된 네이티브 코드를 여러 JVM이 공유 캐시를 통해 공유해서 사용하는 것을 의미한다. 즉, AOT 컴파일러를 통해 이미 컴파일된 코드는 다른 JVM에서도 컴파일하지 않고 사용할 수 있게 하는 것이다. 또한, 아예 AOT 컴파일러를 이용하여 JXE(Java EXecutable)라는 파일 포맷으로 프리컴파일(pre-compile)된 코드를 작성하여 빠르게 실행하는 방법도 제공하고 있다.

자바 성능 개선의 많은 부분은 바로 이 실행 엔진을 개선하여 이뤄지고 있다. JIT 컴파일러는 물론 다양한 최적화 기법을 도입하여 JVM의 성능은 계속해서 향상되고 있다. 초창기 JVM과 지금의 JVM은 이 실행 엔진에서 큰 차이가 있다.

오라클 핫스팟 VM은 1.3부터 핫스팟 컴파일러를 내장하기 시작하였고, 안드로이드 Dalvik VM은 안드로이드 2.2부터 JIT 컴파일러를 도입하였다.