CHAPTER 2. JVM 이야기

🦄 2.1 인터프리팅과 클래스로딩

• JVM은 스택 기반의 해석 머신
• 레지스터는 없지만 일부 결과를 실행 스택에 보관
• while 루프 안의 switch문
• java HelloWorld 명령을 내려 자바 애플리케이션을 실행하면?
  • OS는 가상 머신 프로세스 구동
  • 자바 가상 환경 구성되고 스택 머신 초기화
  • 유저가 작성한 Helloword 클래스 파일 실행
  • 부트스트랩 클래스가 자바 런타임 코어 클래스 로드 ex) java.lang.Object, Class, Classloader
  • 확장 클래스로더 생성
  • 애플리케이션 클래스로더 생성: 클래스 패스에 위치한 유저 클래스 로드
  • 실행 중 처음 보는 새 클래스는 디펜던시에 로드
  • 클래스를 찾지 못한 클래스로더는 부모 클래스로더에게 대신 룩업 지시 → 없으면 ClassNotFound

🐵 2.2 바이트코드 실행

• 자바 컴파일러 javac을 이용한 컴파일: 소스 코드를 .class 파일(바이트 코드)로 바꾸는 것
• 바이트 코드는 특정 컴퓨터 아키텍처에 특정하지 않은 중간 표현형
• 이식성이 좋고, 컴파일된 SW는 어디서건 실행할 수 있고, 자바 언어에 대해 추상화되어 있음
• 컴파일러가 생성한 클래스 파일 구조

컴포넌트	설명	비고
매직 넘버	0xCAFEBABE	“이 파일이 클래스 파일이다”
클래스 파일 포맷 버전	클래스 파일의 메이저/마이너 버전	버전 에러 판단
상수 풀	클래스 상수들이 모여 있는 위치	상수값: 클래스명, 인페이스명, 필드명
액세스 클래스	추상 클래스, 정적 클래스 등 클래스 종류 표시	public? final? 인터페이스? 추상클래스?인지 표시
this 클래스	현재 클래스 명	클래스에 포함된 타입 계층, 상수 풀을 가리키는 인덱스로 표시
슈퍼 클래스	슈퍼 클래스(부모 클래스)명	위와 동일
인터페이스	클래스가 구현한 모든 인터페이스	위와 동일
필드	클래스에 들어 있는 모든 필드	시그니처 비슷한 구조를 정의하고, 수정자 포함
메서드	클래스에 들어 있는 모든 메서드	위와 동일
속성	클래스가 지닌 모든 속성	더 복잡하고 크기가 고정되지 않은 구조를 나타냄

🍔 2.3 핫스팟 입문

• 제로 코스트 추상 사상에 근거한 기계에 가까운 언어 ↔ 개발자의 생산성에 무게를 둔 저수준 대행 언어
• c++은 제로-오버헤드 원칙 준수하지만, 자바는 추상화 철학 동조 x
• 자바의 핫스팟: 런타임 동작을 분석하고 성능에 가장 유리한 방향으로 영리한 최적화를 적용하는 가상 머신
• VM 틀에 맞는 프로그램x 바람직한 설계 원리 o

2.3.1 JIT 컴파일이란?

• 자바 프로그램은 바이트코드 인터프리터가 가상화한 스택 머신에서 명령어를 실행하며 시작
• CPU 추상화 구조라 어디서건 실행 가능하지만, 성능을 최대로 내려면 CPU에 직접 프로그램 실행
• 이를 위해 핫스팟은 메서드와 루프를 인터프리티드 바이트코드에서 네이비트 코드로 컴파일 → JIT
• JIT 방식
  • 핫스팟은 인터프리티드 모드의 애플리케이션을 모니터링
  • 가장 자주 실행되는 코드 파트를 발견해 JIT 컴파일 수행
  • 분석하는 동안 미리 프로그래밍한 추적 정보가 취합 → 더 정교한 최적화
  • 임계점 넘어가면 프로파일러가 특정 코드 섹션을 컴파일/최적화

	C++	Java
분류	AOT 컴파일러 (목표 시스템에 맞는 컴파일)	프로필 기반 최적화(PGO)
장점	성능 예측 가능	수집한 추정 정보로 최적화
단점	프로세서에 특정한 기능 개선 불가	성능 예측 불가
개선		동적 인라이닝, 가상 호출

🍏 2.4 JVM 메모리 관리

• 자바는 가비지 수집이라는 프로세스를 이용해 힙 메모리를 자동 관리하는 방식으로 해결
• 더 많은 메모리를 할당해야 할 때 불필요한 메모리를 회수하거나 재사용하는 불확정적 프로세스
• 짧은 시간이지만 부하 고려한 다양한 알고리즘

🎯 2.5 스레딩과 자바 메모리 모델(JMM)

• Java는 1.0부터 멀티스레드 프로그래밍 기본 지원
• 자바 애플리케이션 스레드 ↔ 전용 OS 스레드
• 그린 스레드(공유 스레드 풀)도 있지만 복잡도만 증가
• 1990년 후반부터 자바의 멀티스레드 기본 설계 원칙
  • 자바 프로세스의 모든 스레드는 가바지가 수집되는 하나의 공용 힙을 가진다
  • 한 스레드가 생성한 객체는 그 객체를 참조하는 다른 스레드가 액세스할 수 있다.
  • 기본적인 객체는 변경 가능한다. (Final 없으면 변경 가능)
• JMM은 서로 다른 실행 스레드가 객체 안에 변경되는 값을 어떻게 바라보는지를 기술한 공식 메모리 모델

🪭 2.6 JVM 구현체 종류

• OpenJDK: 기본 구현체를 제공하는 특별한 오픈 소스 프로젝트
• 오라클 자바(Oracle): OpenJDK 기반이지만 상용 라이선스
• 줄루(Zulu): Azul 시스템 제작, 무료, 자유로운 재배포
• 아이스티(IcedTea): 레드헷 제작, 재배포 가능, 오라클 제외 최초의 회사
• 징(Zing): Azul 제작한 고성능 상용 JVM, 64bit linux에서만 작동
• J9: IBM 제작, 상용이었다가 오픈소스, 이클립스 OMR 프로젝트 기반
• 애비안(Avian): 100% 인증 x, 학습용
• 안드로이드(Android): 여러 가지 자바 클래스 라이브러리 구현체와 교차 컴파일러

2.6.1 JVM 라이선스

• JVM 구현체는 대부분 핫스팟(GPL 라이선스)에서 비롯
• 오라클 자바는 OpenJDK 코드 베이스이지만 상용 제품
• 오라클이 주 브랜치에는 패치하지 않기 때문에 라이선스 외에 차이 없음
• 배포 환경 JDK 선택 조심하기~~~

🌺 2.7 JVM 모니터링과 툴링

JVM은 성숙한 실행 플랫폼으로 관측하는 다양한 기술 제공

• 자바 관리 확장 (Java Managmenr Extensions, JMX)
  • 동작하는 애플리케이션 제어 및 모니터링하는 강력한 범용 툴
• 자바 에이전트 (Java Agent)
  • 자바 언어로 작성된 툴 컴포넌트
  • java.lang.instrument 인터페이스로 메서드 바이트코드 조작
  • 에이전트 JAR 파일에서 매니페스트는 필수
  • Premain-Class 속성에 에이전트 클래스명을 반드시 지정해야 함 → 등록 후크 역할
• JVM 툴 인터페이스 (JVM Tool Interface, JVMTI)
  • 자바 인스트루먼테이션 API로도 부족하면 네이티브 인터페이스인 JVMTI 사용
  • 네이티브 에이전트가 JVM 이벤트를 모니터링하며 알림을 받을 수 있는 통신 인터페이스
• 서비서빌리티 에이전트(Serviceability Agent, SA)
  • 자바 객체, 핫스팟 자료 구조 모두 표출 가능한 API와 툴의 집합
  • 코드 실행 필요없이 코어 파일 및 생생한 자바 프로세스까지 디버깅 가능

2.7.1 VisualVM

• 넷빈즈 플랫폼 기반의 시각화 툴
• 어태치 매커니즘을 이용해 실행 프로세스를 실시간 모니터링
• 개요, 모니터, 스레드, 샘플러 및 프로파일러 탭 활용 가능

🍌 2.8 마치며

• 중요한 주제들은 뒤에서 자세히!

🦴 출처

• 자바최적화 - 벤저민 J. 에번스 , 제임스 고프 , 크리스 뉴랜드 저자(글) · 이일웅 번역
• https://myoungsokang-36227.medium.com/recap-the-java-jvm-after-reading-optimizing-java-a41a6bd3f193

🍔 추가

• JVM 웜업: JVM 최적화는 누적 정보로 이루어지기 때문에, 개발자가 미리 많이 호출되는 메서드를 실행할 때 먼저 여러 번 호출하는 경우도 있음
  if(kakao) - JVM warm up
  
• 확장 클래스 로더:
  API reference for Java Platform, Standard Edition