JVM

스택 기반의 해석 머신이다.

레지스터는 없지만 일부 결과를 실행 스택에 보관하고, 이 스택의 맨 위에 쌓인 값을 가져와 계산한다.

  • 평가 스택 : 메서드 별로 하나씩 생성
  • 로컬 변수 : 결과를 임시 저장
  • 객체 힙 : 메서드끼리, 스레드끼리 공유

Interpreter

평가 스택을 이용해 중간값들을 담아두고 가장 마지막에 실행된 명령어와 독립적으로 프로그램을 구성하는 옵코드를 하나씩 순서대로 처리하는 'while 루프 안의 switch문'이다.

가장 단순한 인터프리터는 switch 문이 포함된 while 루프 형태

Example) execMethod()

JVMValue execMethod(final String klassName, final String desc, final byte[] instr, final InterpLocalVars lvt) {
    if (instr == null || instr.length == 0)
        return null;

    final InterpEvalStack eval = new InterpEvalStack();

    int current = 0;
    LOOP:
    while (true) {
        byte b = instr[current++];
        Opcode op = table[b & 0xff];
        if (op == null) {
            System.err.println("Unrecognised opcode byte: " + (b & 0xff) + " encountered at position " + (current - 1) + ". Stopping.");
            System.exit(1);
        }
        byte num = op.numParams();
        JVMValue v, v2, ret;
        OtKlassParser.CPMethod toBeCalled;
        int paramCount, jumpTo, cpLookup;
        InterpLocalVars withVars;
        JVMValue[] toPass;
        switch (op) {
            case ACONST_NULL:
                eval.aconst_null();
                break;
            case ALOAD:
                eval.push(lvt.aload(instr[current++]));
                break;
            case ALOAD_0:
                eval.push(lvt.aload((byte) 0));
                break;
            // ...
            case RET:
                throw new IllegalArgumentException("Illegal opcode byte: " + (b & 0xff) + " encountered at position " + (current - 1) + ". Stopping.");
            default:
                System.err.println("Saw " + op + " - that can't happen. Stopping.");
                System.exit(1);
        }
        // SAFEPOINT CHECK GOES HERE
    }
}
  1. 메서드에서 한 번에 한 바이트코드씩 읽어들여 옵코드 별로 분기하는 코드이다.
  2. 매개변수가 딸린 옵코드는 읽는 위치가 정확한지 확인하기 위해 스트림에서도 읽는다.
  3. 임시값은 EvaluationStack에서 평가된다. 산술 옵코드는 이 스택 위에서 정수 계산을 한다.

Bytecode(Opcode)

  • JVM에서 각 스택 머신 작업 코드(옵코드)는 1바이트로 나타낸다(그래서 이름도 바이트코드이다, 0-255, 현재 약 200개 사용 중).
  • JVM은 big endian, little endian 하드웨어 아키텍처 모두 바이트코드 변경없이 실행 가능하도록 명세에 규정되어 있다.

Example

store

  • dstore : 스택 상단을 double형 지역 변수로 스토어하라
  • astore : 스택 상단을 참조형 지역 변수로 스토어하라

load

단축형이 있어 인수를 생략할 수 있고 그만큼 클래스 파일의 인수 바이트 공간을 절약할 수 있다.

  • aload_0 : 현재 객체를 스택 상단에 넣어라
    • 자주 쓰이는데, 단축형이어서 클래스 파일 크기가 상당히 줄어든다.

Category

패밀리명 명령어 인수 설명
상수 로딩      
  iconst_<i> - int 상수(-1~5)를 스택에 푸시
  aconst_null - null 참조를 스택에 푸시
  ldc index 상수 풀에서 항목(String, int, float 등)을 로드
지역 변수 접근      
  iload_<n> - int 지역 변수 n을 스택에 로드 (n=0~3)
  aload_<n> - 참조 지역 변수 n을 스택에 로드 (n=0~3)
  istore_<n> - 스택에서 int를 꺼내 지역 변수 n에 저장 (n=0~3)
  astore_<n> - 스택에서 참조를 꺼내 지역 변수 n에 저장 (n=0~3)
산술 연산      
  iadd - int 덧셈
  isub - int 뺄셈
  imul - int 곱셈
  idiv - int 나눗셈
  iinc index, const 지역 변수에 상수 값을 더함 (루프 카운터에 주로 사용)
분기 명령      
  if_icmpeq branch 두 int가 같으면 분기
  if_icmpne branch 두 int가 다르면 분기
  if_icmplt branch 첫 int가 두번째보다 작으면 분기
  if_icmpgt branch 첫 int가 두번째보다 크면 분기
  ifnull branch 참조가 null이면 분기
  ifnonnull branch 참조가 null이 아니면 분기
  goto branch 무조건 분기
메소드 호출/반환      
  invokevirtual indexbyte1, indexbyte2 인스턴스 메소드 호출 (일반 메소드 호출)
  invokespecial indexbyte1, indexbyte2 특수 메소드 호출 (생성자, private, super)
  invokestatic indexbyte1, indexbyte2 정적 메소드 호출
  invokeinterface indexbyte1, indexbyte2, count, 0 인터페이스 메소드 호출
  invokedynamic indexbyte1, indexbyte2, 0, 0 동적 메소드 호출 (람다, 메소드 참조)
  ireturn - int 반환
  areturn - 객체 참조 반환
  return - void 반환
객체/배열 조작      
  new indexbyte1, indexbyte2 새 객체 생성
  newarray atype 기본 타입 배열 생성
  anewarray indexbyte1, indexbyte2 참조 타입 배열 생성
  getfield indexbyte1, indexbyte2 인스턴스 필드 값 가져오기
  putfield indexbyte1, indexbyte2 인스턴스 필드 값 설정
  getstatic indexbyte1, indexbyte2 정적 필드 값 가져오기
  aaload - 객체 배열에서 항목 로드
  aastore - 객체 배열에 항목 저장
  arraylength - 배열의 길이 가져오기
  instanceof indexbyte1, indexbyte2 객체가 특정 타입인지 검사
  checkcast indexbyte1, indexbyte2 객체 타입 캐스팅 검사
스택 조작      
  dup - 스택 최상위 값 복제
  pop - 스택 최상위 값 제거
예외 처리      
  athrow - 예외 던지기
동기화      
  monitorenter - 모니터 진입 (synchronized 블록 시작)
  monitorexit - 모니터 퇴출 (synchronized 블록 종료)

Heap & Thread

일관된 상태를 유지하려면 JVM이 관리 작업 수행 도중 공유 힙이 변경되지 않게 모든 애플리케이션 스레드를 멈추어야 한다.

  1. JVM 애플리케이션 스레드 하나하나가 진짜 OS 스레드다.
  2. Interpreted 메서드를 실행하는 스레드에 대해 옵코드가 디스패치되는 시점에서 애플리케이션 스레드가 실행하는 것은 유저 코드가 아니라 JVM Interpreter 코드이다.
  3. 따라서 힙 상태 일관성이 보장되고 애플리케이션 스레드를 멈출 수 있다.

바이트코드 사이사이가 애플리케이션 스레드를 멈추기에 이상적인 시점이자, 단순한 세이브포인트로 볼 수 있다.

Class file

Structure

MVCATSIFMA

My Very Cute Animal Turns Savage In Full Moon Areas

  • Magic number : 0xCAFEBABE라는 매직넘버로 클래스 파일임을 나타냄(4바이트)
  • Version : 메이저/마이너 버전 숫자(4바이트)
    • 버전 숫자가 일치하지 않으면 런타임에 UnsupportedClassVersionError 예외 발생
  • Constant pool : 상숫값(클래스명, 인터페이스명, 필드명 등)을 모아놓음
    • JVM은 런타임에 배치된 메모리 대신 해당 상수 테이블을 찾아 필요 값을 참조
  • Access flag : 클래스에 적용한 수정자 결정(public, final, interface, abstract, enum, annotation)
  • This : 현재 클래스명
  • Superclass : 슈퍼클래스(부모클래스)명
  • Interface : 클래슥 구현한 모든 인터페이스명
  • Field : 클래스 내 모든 필드
  • Method : 클래스 내 모든 메서드
  • Attribute : 클래스가 지닌 모든 속성(소스 파일명 등)

Compile

Example code

public class Post {

    private Long id;
    private String title;
    private String content;
    private Date date;
    private String status;

    public Long getId() {
        return id;
    }

    public String getTitle() {

        return title;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public Date getDate() {
        return date;
    }

    public String getStatus() {
        return status;
    }

    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public void setDate(Date date) {
        this.date = date;
    }

    public void setStatus(String status) {
        this.status = status;
    }
}

javap -c

인텔리제이의 View > Show Bytecode 로도 확인할 수 있다.

$ javap -c Post

Warning: File ./Post.class does not contain class Post
Compiled from "Post.java"
public class com.memory.diary.domain.Post {
  public com.memory.diary.domain.Post();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public java.lang.Long getId();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #7                  // Field id:Ljava/lang/Long;
       4: areturn

  public java.lang.String getTitle();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #13                 // Field title:Ljava/lang/String;
       4: areturn

  public java.lang.String getContent();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #17                 // Field content:Ljava/lang/String;
       4: areturn

  public java.util.Date getDate();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #20                 // Field date:Ljava/util/Date;
       4: areturn

  public java.lang.String getStatus();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #24                 // Field status:Ljava/lang/String;
       4: areturn

  public void setId(java.lang.Long);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #7                  // Field id:Ljava/lang/Long;
       5: return

  public void setTitle(java.lang.String);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #13                 // Field title:Ljava/lang/String;
       5: return

  public void setContent(java.lang.String);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #17                 // Field content:Ljava/lang/String;
       5: return

  public void setDate(java.util.Date);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #20                 // Field date:Ljava/util/Date;
       5: return

  public void setStatus(java.lang.String);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #24                 // Field status:Ljava/lang/String;

javap -v

$ javap -v Post

Warning: File ./Post.class does not contain class Post
Classfile /Users/currenjin/Documents/repositories/mem-ory/diary/src/main/java/com/memory/diary/domain/Post.class
  Last modified 2025. 3. 22.; size 1090 bytes
  SHA-256 checksum 6c42e3507a00885fc32a9f3fce277df92b66b6c3ef1cafde7c97df2086d5d66f
  Compiled from "Post.java"
public class com.memory.diary.domain.Post
  minor version: 0
  major version: 65
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #8                          // com/memory/diary/domain/Post
  super_class: #2                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 5, methods: 11, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #4             // java/lang/Object
   #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Utf8               <init>
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = Fieldref           #8.#9          // com/memory/diary/domain/Post.id:Ljava/lang/Long;
   #8 = Class              #10            // com/memory/diary/domain/Post
   #9 = NameAndType        #11:#12        // id:Ljava/lang/Long;
  #10 = Utf8               com/memory/diary/domain/Post
  #11 = Utf8               id
  #12 = Utf8               Ljava/lang/Long;
  #13 = Fieldref           #8.#14         // com/memory/diary/domain/Post.title:Ljava/lang/String;
  #14 = NameAndType        #15:#16        // title:Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               title
  #16 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #17 = Fieldref           #8.#18         // com/memory/diary/domain/Post.content:Ljava/lang/String;
  #18 = NameAndType        #19:#16        // content:Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               content
  #20 = Fieldref           #8.#21         // com/memory/diary/domain/Post.date:Ljava/util/Date;
  #21 = NameAndType        #22:#23        // date:Ljava/util/Date;
  #22 = Utf8               date
  #23 = Utf8               Ljava/util/Date;
  #24 = Fieldref           #8.#25         // com/memory/diary/domain/Post.status:Ljava/lang/String;
  #25 = NameAndType        #26:#16        // status:Ljava/lang/String;
  #26 = Utf8               status
  #27 = Utf8               Code
  #28 = Utf8               LineNumberTable
  #29 = Utf8               getId
  #30 = Utf8               ()Ljava/lang/Long;
  #31 = Utf8               getTitle
  #32 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #33 = Utf8               getContent
  #34 = Utf8               getDate
  #35 = Utf8               ()Ljava/util/Date;
  #36 = Utf8               getStatus
  #37 = Utf8               setId
  #38 = Utf8               (Ljava/lang/Long;)V
  #39 = Utf8               setTitle
  #40 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #41 = Utf8               setContent
  #42 = Utf8               setDate
  #43 = Utf8               (Ljava/util/Date;)V
  #44 = Utf8               setStatus
  #45 = Utf8               SourceFile
  #46 = Utf8               Post.java
{
  public com.memory.diary.domain.Post();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0

  public java.lang.Long getId();
    descriptor: ()Ljava/lang/Long;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #7                  // Field id:Ljava/lang/Long;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 14: 0

  public java.lang.String getTitle();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #13                 // Field title:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 19: 0

  public java.lang.String getContent();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #17                 // Field content:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 23: 0

  public java.util.Date getDate();
    descriptor: ()Ljava/util/Date;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #20                 // Field date:Ljava/util/Date;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 27: 0

  public java.lang.String getStatus();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #24                 // Field status:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 31: 0

  public void setId(java.lang.Long);
    descriptor: (Ljava/lang/Long;)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #7                  // Field id:Ljava/lang/Long;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 35: 0
        line 36: 5

  public void setTitle(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #13                 // Field title:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 39: 0
        line 40: 5

  public void setContent(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #17                 // Field content:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 43: 0
        line 44: 5

  public void setDate(java.util.Date);
    descriptor: (Ljava/util/Date;)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #20                 // Field date:Ljava/util/Date;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 47: 0
        line 48: 5

  public void setStatus(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #24                 // Field status:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 51: 0
        line 52: 5
}
SourceFile: "Post.java"

HotSpot

Template Interpreter 로써, 시작할 때마다 동적으로 interpreter를 구축한다.

  • Assembly language 코드로 작성되어있다.
  • Private Bytecode를 정의해 쓴다.
  • Edge case를 다루는 데 도움이 되는 설계 방식이다.
  • 전체 옵코드 목록

Edge case

Final 메서드

오버라이드할 수 없으니 javac로 컴파일하면 invokespecial 옵코드가 나오리라 예상할 수 있다.

public class A {
    public final void fMethod() {
        // 작업
    }
}

public class CallA {
    public void otherMethod(A obj) {
        obj.fMethod();
    }
}

Final 메서드 호출부가 invokespecial로 컴파일되면 CallA:otherMethod 다음 바이트코드로 바뀔 것이다.

public void otherMethod()
    Code:
        0: aload_1
        1: invokespecial #4   // Method A.fMethod:()V
        4: return

이 상태에서,

  1. fMethod() 메서드를 non-final로 변경하면
  2. 해당 메서드는 서브클래스에서 오버라이드가 가능하다.
  3. 서브클래스 인스턴스를 otherMethod() 메서드의 인수로 넘긴다면
  4. Bytecode 수준에서는 invokespecial 명령이 실행될테니 메서드를 잘못 호출하게 된다. (LSP 위반)

이를 위해 핫스팟 인터프리터에서는 final 메서드를 디스패치하는 private bytecode가 있다.

Object::

자바 언어 명세를 보면, 종료화(11.6절) 대상 객체는 반드시 종료화 서브시스템에 등록해야 한다 작성되어있다.

  1. Object 생성자의 Object:: 호출이 완료되면
  2. 곧바로 객체를 등록해야 한다.
  3. JVMTI처럼 바이트코드를 건드리는 툴에서는 이 코드 위치가 모호할 수 있다.

이를 위해 핫스팟은 진짜 Object생성자에서 반환되는 지점을 표시하는 private bytecode가 있다.