[인턴일지 #4] JVM, JVMTI

[참고] Chapter 2. The Structure of the Java Virtual Machine

Chapter 2. The Structure of the Java Virtual Machine

 

1. Java Compile & Run

1-1. Java Compile & Run 과정

• .java 파일 생성
• Java Compiler (javac)로 .java 파일 컴파일   .java → .class
• JVM에서 메인 .class 파일 실행
  • Class Loader : .class 파일을 JVM에 로드
  • Byte Code verification
  • Just-In-Time Compiler로 execute

 

1-2. Java Byte Code

• JVM이 이해할 수 있도록 컴파일된 바이트 코드 (binary format)
• Byte : 코드 명령어 크기가 1 byte
• 확장자 : .class
• JVM만 있으면 어느 운영체제에서도 실행 가능 (machine-independent encoding)

 

1-3. JVM

• 운영체제에 종속적 (machine-dependent)

  

• 구성 요소

Class Loader	동적으로 클래스를 로드
Interperter	바이트 코드를 읽고 해석
Just-In-Time compiler	실제 런타임에 바이트 코드를 기계어로 변환
Garbage collector	더 이상 사용하지 않는 메모리 자동 회수

 

• Compiler vs. Decompiler

Compiler	Decompiler
.java → .class	.class → .java
Java Soucre Code → Byte Code	Byte Code → Java Source Code

 

 

2. The Structure of the JVM

2-1. The class File Format

• JVM으로 실행되기 전 컴파일된 Java Code
• HW & OS Independent binary format

 

2-2. Data Types

• JVM Type Checking
  • 이미 런타임 이전에 컴파일러 의해 완료됨을 가정함 (JVM 자체에서 진행 X)

• JVM Operating Type

1) primitive	실제 데이터 저장하는 값	boolean, byte, char, short, int, long, float, double
2) reference	데이터 객체를 참조하는 주소값 메모리 번지수 (pointer 개념)	Integer, Long, Double, Float, Boolean, Byte, Short, Char

 

• Primitive Types

numeric	integral	byte (8-bit)	-128 to 127 (-2^7 to 2^7 - 1)
		short (16-bit)	-32768 to 32767 (-2^15 to 2^15 - 1)
		int (32-bit)	-2147483648 to 2147483647 (-2^31 to 2^31 - 1)
		long (64-bit)	(-2^63 to 2^63 - 1)
		char (16-bit)	0 to 65535
	floating-point	float	* Nan : Not-a-Number value (ex. dividing zero by zero)
		double
bool	boolean		JVM int data type으로 컴파일됨
returnAddress	pointers		pointers to the opcodes of JVM instructions

 

• Reference Types
  • array types
  • class types
  • interface types

 

2-3. Run-Time Data Areas

JVM은 다양한 run-time data areas 제공 (JVM or Thread의 시작과 종료를 따름)

 

2-3-1. PC Register

• JVM은 한번에 여러 개의 Thread 처리 가능, 각 Thread는 각자의 pc register 가짐
• JVM Thread는 매 순간 single method 코드 실행함
  • native single method : PC Register는 최근 수행 JVM instruction 주소를 포함
  • not native single method : PC Register value = undefined
• PC Register는 충분히 커서 returnAddress, native pointer도 저장 가능

 

2-3-2. Stacks

 

• 모든 JVM Thread는 각자의 Stack 가짐
• Stack은 각 Thread 생성 시점에 같이 생성됨
• Stack은 frame을 저장 (local variables, partial results)
• Size
  • fixed : Stack 생성 순간에 size 결정됨
  • dynamically expand : 연산에 의해 필요한 만큼 달라짐
  • 관련 에러
    • StackOverFlowError : fixed size stack인데 연산에서 더 큰 size 필요
    • OutOfMemoryError : dynamically expand stack인데 메모리 부족

 

2-3-3. Heap

• 모든 JVM Thread들이 공유
• JVM start-up 할 때 생성
• 전체 class instances, arrays가 할당되는 메모리
• Garbage Collection 이루어짐
  • 사용 끝낸 Heap의 Storage 반환
  • object의 storage가 반환됨 (O), object가 반환 (X)

 

2-3-4. Method Area

• 모든 JVM Thread들이 공유
• JVM start-up 할 때 생성
• per-class structure 저장
  • run-time constant pool (static field)
  • field, method area
  • code for method/constructors

 

2-3-5. Run-Time Constant Pool

• 다양한 종류의 constant 포함
  • numeric literals
  • field references
• JVM Method Area 의해 할당됨

 

2-3-6. Native Method Stacks

• Java 외 다른 언어로 작성된 Native Method 지원하기 위한 stack
• size : fixed / dynamically expand

 

 

2-4. Frames

 

• Thread에 의해 생성된 frame은 local (다른 Thread에 의해 참조될 수 없음)
• JVM Stack에 할당됨

• 역할
  • data, partial results 저장
  • dynamic linking 수행
  • method 위한 value return 
  • exception 발생
• 생명주기
  • method 호출될 때마다 새로운 frame 생성
  • method 호출 완료 시, 파괴됨 (method 정상 수행 여부는 고려 X)
• 각 frame마다 고유의 자원 가짐
  • array of local variable 
  • operand stack
  • reference to rune-time constant pool of the class of the current method
• Current Frame
  • Thread에서는 오직 하나의 Frame만 executing method 위해 활성화
  • local variables, operand stack의 operations는 보통 current frame 주소 가지고 있음
  • 현재 current frame의 method 완료되거나 다른 method 호출 시작하면 기존 current frame은 자리에서 물러나고, 새로운 frame이 생성되면서 current frame으로 등극
  • 새로운 current frame return하면 그 결과를 이전 frame에게 전달

 

 

3. JVMTI

• 정의
  • Java Virtual Machine Tool Interface
  • Programming interface used by development and monitoring tools
• 역할
  • VM state에 접근하기 위한 VM interface 제공 (profiling, debugging, monitoring, analysis ...)
  • profiler는 JVMTI를 매개로 JVM과 소통
• 특징
  • 2-way interface (JVM ↔ Agent)
  • Byte Code Instrumentation 이용
    • profiler가 profiling info 수집하기 위해서는 해당 profiled application의 byte code를 수정해야 함
    • 프로파일에 유의미한 부분에 supporting byte code instructions 삽입
    • Target Application의 일반 실행을 방해하지 않고 독립적인 process 제어 가능

 

4. Agent 

 

• 정의
  • JVM에서 동작하는 Java Application 중 하나
  • JVM에서 running application의 상태 관찰 & 실행 제어
• 특징
  • Event를 통해 발생 사건 인지
  • JVMTI를 매개로 Agent ↔ JVM 소통

 

 

https://dramatic-lift-c67.notion.site/Java-7-JVM-1a2fdfc4a3d64ca5814f4504ccf416f1?pvs=4

Java 7 기준 JVM 정리 | Built with Notion

 

 

https://dramatic-lift-c67.notion.site/Java-17-JVM-Tool-Interface-6d1fcc5edc164499a9b71ff565e4842f?pvs=4

Java 17 기준 JVM Tool Interface | Built with Notion