공부하는 개발 블로그

Runtime Data Area

- jvm이 프로그램을 수행하기 위해 OS로부터 할당받는 메모리 영역

영역

1. PC registers

2. Java Virtual Machine stacks

3. Native Method Stacks

4. Method Area,

5. Heap

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1. PC registers

2. Java Virtual Machine stacks

3. Native Method Stacks

은 Thread 별로 생성되고

4. Method Area,

5. Heap

은 모든 Thread에 공유된다.

PC Registers

- Thread마다 하나씩 존재.

- Thread가 시작할 때 생성된다.

- Java Method를 수행하고 있다면, 현재 수행 중인 JVM instruction의 주소를 갖는다.

- Native Method(C언어 등)를 수행하고 있다면, undefined 상태이다.

- PC Registers에 저장되는 Instruction의 주소는 Native Pointer 또는 Method Bytecode의 시작점이다.

- Native Method는 platform dependent하므로 JVM을 거치지 않고 수행된다.

Stack Frame

- Java에서는 Method를 Stack Frame이라는 단위로 관리한다.

- Stack Frame은 Method의 상태 정보를 저장한다.

- compile time에 크기가 결정된다.

   (Method 내에서 사용하는 변수나 연산 관련 내용, 반환값의 Type이 이미 source code에서 결졍되기 때문에)

- 현재 실행되는 Stack Frame을 Current Frame이라 한다.

- 3 부분(Local Variable section, Operand Section, Fame Data Section)으로 구성된다.

1. Local Variable section

- Parameter, Local variable이 저장된다,

- index가 0부터 시작하는 array

- 0: this

- 사용되지 않는 local variable은 index가 없을 수도 있다.

- Primitive Type(원시 타입)은 고정된 크기가 할당되지만, Object는 (객체가 존재하는 Heap의 위치) Reference로 저장된다.

   Object는 CPU연산을 통해 Heap에서 값을 얻어야하고, Instance 생성이 일어나기 때문에 Primitive Type이 성능 면에서 낫다.

- char, byte, short, boolean은 int로 저장되지만 jvm 구현 방식과 Java Virtual Machine Stacks의 저장형태에 따라 달라진다.

Heap 등에서는 원래 타입으로 복원된다. boolean은 jvm에서 직접 지원하지 않아 int로 취급된다.

- long과 double은 두 개의 entry를 차지한다.

- Class Method의 경우 Reference가 존재하지 않는다.

2. Oprerand Stack

- 연산 공간

- 기본 스택과 동일하다.

3. Frame Data

- Constant Pool Resoultion 정보, Method가 정상 종료했을 때의 정보, Method가 비정상 종료했을 때의 Exception 정보가 들어있다,

- Constant Pool Resoultion: Constant pool의 Pointer 정보. Symbolic Reference를 jvm에서 접근할 수 있는 Direct Reference로 변경하는 것을 Resolution이라 한다. Class의 모든 Symbolic Referencesms Method Area의 Constant Pool에 저장되어있다.

- 상수, 다른 Class, Method, 특정 변수를 접근할 때, Class나 Interface에 대한 의존 관계를 확인할 때 Constant Pool을 참조한다.

- 자신을 호출한 Stack Frame의 Instruction Pointer가 들어있다. Method가 종료되면 이 값으로 PC register를 설정하고 Stack Frame을 빠져나간다. 반환값이 있다면 다음 Frame에 Push한다.

- Exception이 발생하는 경우를 위한 Excpetion 정보를 갖는다. (Exception Table의 Reference)

   Exception이 발생하면, jvm은 catch 절에 해당하는 bytecode로 jump한다.

Java Virtual Machine Stacks

- Thread마다 존재

- Thread가 시작할 때 생성

- 다른 Thread에서 접근이 불가능하여 동시성 문제가 없다.

- Thread가 Java Method를 수행할 때마다, Stack Frame을 생성하여 Java Virtual Machine Stacks에 Push한다.

- Stack Trace나 Stack Dump를 얻어서 분석할 때, 나오는 정보가 Java Virtual Machine Stack의 Stack Frame 정보이다. 

Stack Trace는 Stack Frame을 한 라인으로 표현한 것이다.

Native Method Stacks

- Java 외의 언어로 작성된 프로그램, API toolkit을 Java에서 사용/호출하기 위해 JNI(Java Native Interface)라는 표준 규약을 제공한다.

- Native Method를 위한 Stack이다. 언어별로 생성된다. Native Code가 C라면, C Stack, Native Code가 C++이라면, C++ Stack이 생성된다.

- Native Method가 종료되면 Java Virtual Machine Stack에 새로운 Stack Frame이 생성되고 실행된다. Native Method를 호출한 Stack Frame으로 돌아가지 않는다.

- 가장 흔히 사용하는 Hotspot JVM이나 IBM JVM은 Java Virtual Machine Stack과 Native Method Stack을 구분하지 않는다. 모두 Native Stack으로 통합되어있다. 즉, JVM이 사용하는 Thread가 모두 Native Thread이다.

Method Area

- 모든 Thread가 공유

- JVM이 시작할 때 생성. Garbage Collection의 대상

- Load된 Class/Interface(=Type)를 저장하는 논리적인 공간.

1. Type Information

- Package.class의 Full Qualified Name

2. Constant Pool

3. Field Information

4. Method Information

5. Class variables

6. Reference to class ClassLoader

- 다른 type을 참조할 때 동일한 ClassLoader를 사용한다.

7.Reference to Class class

- Type이 Loadehlaus java.lang.class의 instance가 하나 생성된다. 이 reference가 type 정보의 일부로 저장되어 class 이름이나 interface여부를 알 수 있다.

Method Table

- Method에 대한 Direct Method를 갖는 자료구조

참고자료 및 출처

- Java Performance Fundamental(김한도 저)

book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=6102334

- oracle: The Structure of the Java Virtual Machine

docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html

JVM architecture

1. JVM은 Class Loader System을 통해 Class 파일을 JVM으로 로딩한다.

2. Class 파일은 Execution Engine을 통해 해석된다.

3. 해석된 프로그램은 Run-time Data Area에 배치되어 실질적으로 수행되는데,

4. 실행 과정에서 Thread Synchronization과 Garbage Collection 같은 관리작업이 일어난다.

출처 : Java Performance Fundamental(김한도 저)

jit(and all compilers) are just complex pattern matchers

Likes

• "normal" code
• small methods
• immutability
• local variables(not shared across thread. easy change tracking)

Don't likeLikes

• "normal" code
• small methods
• imuutability
• local variables (not shared across thread. easy change tracking)

youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=5650

1. naming

위가 아래보다 느리다.

compiler는 log 파일을 이용하는데, this.size와 this.elementData.length는 동일하지 않기 때문이다.(값은 동일하지만.)

this.size = this.elementData.length

for (int i = 0; i < this.size; i++) {
	
    if ( i >= this.elementData.length) throw new AIOBE();

}

// this.size = this.elementData.length

for (int i = 0; i < this.elementData.length; i++) {
	
    if ( i >= this.elementData.length) throw new AIOBE();

}

youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=2178

2. implicit null check

if ( this.elementData == null ) throw new NPE();

this.elementData.length

C언어를 생각해보면 

this.element가 null일 때, this.element.length에 접근하면 segmentation fault가 발생한다.

java는 segmentation fault를 NPE로 wrap한다.

이 과정이 쉽고 빠르다고 한다.

3. Garbage Collection(Stop The World)

Garbage collection을 하기 위해서는 모든 thread를 정지시켜야한다.

thread를 정지시키는 방식이 꽤 재미있다.

poison page라는 개념을 이용한다.

JIT은 주기적으로 각 thread에 poison page를 읽으라는 명령어를 집어넣는다.

Garbage Collection이 필요하면 page를 unmap해서,

모든 thread에서 segmentation fault가 발생하도록 한다.

youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=2868

4. loop peeling

youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=3161youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=3161

5. inlining & iterator is not a synthetic sugar

- inlining: youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=3512

- iterator is not a synthetic sugar: youtu.be/oH4_unx8eJQ?t=4075

코드는 compile, link, execute의 3가지를 거쳐 프로그램으로 실행된다.

대부분의 컴퓨터 언어는

• compiler가 object file을 생성하고, linker가 object file을 연결하여 executable file을 만든다.
• compiler는 platform dependent하기 때문에(target machine, OS의 영향을 받기 때문에)
  언어 개발자들은 platform마다 알맞은 compiler를 새로 만들어야 했다.
• 일반 프로그래머들(high-level languge로 프로그래밍을 하는 사람)은 코드를 조금만 수정해도
  실행하기 위해서는 처음부터 compile을 해야했다.
  더보기

  (프로그램 사이즈가 큰 경우엔 compile에만 상당한 시간이 걸리기도 한다.)
  compile이 끝나고 실행하는데, 오타 때문에 수정된 부분을 제대로 확인도 못하고
  다시  긴 compile을 기다려본 적이 있다면 얼마나 귀찮은지 공감할 것이다.

interpreter로 동작하는 언어는

• compile, link, execute의 단계가 존재한다기보다는
• 코드 statement를 읽을 때마다 high-level statement를 low-level로 conversion하여 수행한다.
• interpreter는 3가지 유형으로 나뉜다.

java는 compiler와 interpreter가 혼합된 형태이다.

1. java compiler(javac)가 high-level code로부터 bytecode(.class file)를 생성한다.
   (bytecode는 object file이 아니다.)
2. jvm이 bytecode를 이용하여 interpreter처럼 statement를 읽을 때마다 동적으로 link-execute를 수행한다.
   (bytecode가 jvm interpreter의 object file처럼 동작한다.
   linker가 존재하지 않고 동적으로 link를 수행한다는 것이 다르다)

장점

- platform independent하다. jvm이 os에 dependent 하지만 java compiler는 platform independent 하다.

windows에서 코드를 작성하고 compile한 뒤 linux에서 실행할 수 있다.

참고한 자료

www.cs.cmu.edu/~jcarroll/15-100-s05/supps/basics/history.html