자바코드의 실행과 메모리구조 그리고 JVM - 1

Muzi·2023년 3월 18일

JAVA

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컴파일

JAVA의 컴파일

c언어는 컴파일이전에 전처리 과정이 있음

소스코드(hello.c) -> 전처리(preprocess) -> 전처리 후 소스(hello.i) -> Compiler -> 
Assembly소스(hello.s) -> Assembler -> 오브젝트파일(hello.o) -> Linker -> 실행파일(hello.out) -> 
Loader -> Memory

JAVA는 JVM이 전처리 과정을 거친다
Javac 명령어를 통해 컴파일
컴파일이라고해서 C나 C++이 컴파일하면 생성하는 기계어와 동일하게 생각하면 안된다

좀더 자세히 보자
런타임 환경의 과정이 위 그림의 JVM부분과 같다 즉, JVM은 런타임 프로세스

Java의 컴파일 과정

어휘 분석

키워드, 리터럴, 연산자 같은 오퍼레이터들을 수집한다
- 어휘소라고한다
- 키워드 ex) public, class
- 리터럴 ex) "hello world"
- 연산자 ex) +-
수집한 어휘소를 하나의 스트림으로 만든다 => 토큰 스트림

구문 분석(Syntax Analysis)

: 토큰 스트림을 통해서 문법에 맞는지 확인하는 과정

컴파일시 에러로 나타남

의미 분석

타입 검사, 자동 타입 변환 등 진행
구문 분석에서 잡지 못한 타입에러를 잡음
String에 Integer값 입력시, 구문 분석이 아니라, 의미 분석에서 에러 발생

바이트 코드

: 컴파일시 생성되는 중간 코드 = 바이트 코드

.class 파일
JVM이 읽을 수 있는 언어
JVM은 이 바이트 코드를 읽어 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어로 변환한다
Class Format, type의 표현, constant pool, instruction set으로 구성
JAVAP = 바이트코드를 우리가 볼 수 있게 바꾸어주는 프로그램

1. Class Format

magic - 클래스 파일의 첫 4바이트, 자바 클래스파일이 맞는지 구분하는 용도
- 파일 형식 고유 식별자
- java 클래스파일의 magic은 16진수인 "CAFEBABE"
- 항상 동일한 값
- JVM의 버전, 클래스 이름 및 클래스 파일에 대한 정보가 포함된 헤더섹션이 포함되어있다는 점에서 MS windows에서 사용하는 PE헤더와 용도가 유사하다
minor_version, major_version
- 클래스의 버전을 나타냄
- 즉, JDK 1.6이냐 1.8이냐를 구분하는데 JDK 버전에 따라 다른 값이 나온다
constant_pool_count
- 클래스 파일의 상수 풀(constant pool)의 개수를 나타내는 용도

access_flags

클래스의 modifier 정보를 나타낸다

name	value	의미
ACC_PUBLIC	0x0001	클래스가 public, 다른 클래스에서 접근이 가능
ACC_FINAL	0x0010	클래스를 상속할 수 없다
ACC_SUPER	0x0020	`invokespecial` 인스트럭션은 수퍼클래스의 메서드를 호출함
ACC_INTERFACE	0x0200	interface임을 명시
ACC_ABSTRACT	0x0400	abstract임을 명시
ACC_SYNTHETIC	0x1000	소스 코드에서 명시적으로 선언되지 않고 컴파일러에서 생성되었음을 의미
ACC_ANNOTATION	0x2000	annotation @interface임을 명시
ACC_ENUM	0x4000	enum class 임을 명시
ACC_MODULE	0x8000	module임을 명시

interfaces_count
- 클래스가 구현한 인터페이스의 개수와 각 인터페이스에 대한 constatnt_pool내의 인텍스를 나타냄

2. type의 표현

Java 바이트 코드의 표현은 우리가 사용할 수 있는 모든 type을 bytecode expression으로 변환할 수 있다

// 예를 들어서 다음과 같은 코드가 있다면
Object print(String str, int i)

// Type의 표현으로 다음과 같이 표현가능하다
(java/lang/String;I)Ljava/lang/Object;

3.Constant pool

JVM이 동적으로 코드를 실행시킬 때 모든 데이터를 즉시 생성하는 것이 아니라,
constant pool에 저장 후 Constant pool에 존재하는 데이터를 우선적으로 가져와 메모리를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게한다

런타임에 생성되는 Static 상수 저장소
즉, 정적영역에 있는 메모리이기에 GC의 대상 x
# 해시코드로 시작하는 특징
Constant pool에서 제공하는 타입
원문

type bit
Integer(Boolean,Short,Byte 상수는 Integer 취급 32bit
Float 32bit
Double, Long 64bit
String 16bit(실제값이 아닌 주소값이 저장된다)

type	bit
Integer(Boolean,Short,Byte 상수는 Integer 취급	32bit
Float	32bit
Double, Long	64bit
String	16bit(실제값이 아닌 주소값이 저장된다)

4. Instruction Set

OpCode와 Operands로 구성되는데
자바바이트코드에서는 1 Byte의 OpCode와 2 Byte의 Operands 로 구성

public class Test { 
	private String name; 
    public String getName() {
    	return name; 
    } 
    public void setName(String name) {
    this.name = name; 
    } 
}

해당 코드를 javap 명령(javac Test.java, javap -c Test)을 통해 bytecode를 보면

// 이렇게 나온다
public class bridge.view.Test {
  public bridge.view.Test();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public java.lang.String getName();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
       4: areturn

  public void setName(java.lang.String);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
       5: return
}

aload_0 : local variable 을 stack 에 push 한다, 0은 frame안 instruction 위치
invokespecial : instance Method 를 호출하고 결과를 stack 에 push한다.

해당 링크를 통해 자세한 명령어 정의를 볼 수 있다

추가

JAVAP - 바이트코드를 우리가 볼 수 있게 바꾸어주는 프로그램
바이너리 코드는 무엇인가?
- 0과1로 구성된 코드
- c로 작성된 .c를 컴파일한 .obj파일이 바이너리 코드
- .obj 파일만으로는 실제 컴퓨터가 이해하여 실행할 수 없다. 이때 필요한 것이 링커로 링커는 여러 개의 코드와 데이터를 모아서 연결하여 메모리에서 실행 가능 한 파일로 만드는 역할