JVM의 원리와 바이트코드

해당 글은 https://www.inflearn.com/course/the-java-code-manipulation/ 를 공부하고 정리한 내용입니다.

 

#1 JVM 용어 정리

2021.06.30 - [기본 지식/Java 기본지식] - JVM(자바가상머신)과 JRE, JDK

자바 바이트 코드는 JRE(자바 런타임 환경)에서 동작한다. JRE에는 [JVM]과 [자바 API] 영역으로 나눌 수 있다.

최근 자바 스펙에서는 JRE를 별도로 제공하지 않고, 개발도구와 함께 JDK로 포장하여 제공한다.

• JVM (Java Virtual Machine)
  - 바이트코드(.class)를 해당 OS에 특화된 코드로 변환한다. 인터프리터와 JIT컴파일러를 사용한다.
  - JVM은 API 스펙만 제공할 뿐, 특정 회사가 만든 원하는 구현체(벤더)를 선택할 수 있다.
  - JVM 프로그램은 특정 플랫폼에 종속적이다. 자바는 각 플랫폼에 맞는 JVM을 제공한다.
   
• JIT 컴파일러 (Just In Time)
  - 자바의 바이트코드는 인터프리터 방식으로 코드를 즉시 읽어들여 동작하는 방식이다.
  - 이러한 방식의 성능을 개선하기 위해, 초기 실행시점에 자주 사용될만한 바이트코드를 미리 기계어로 해석하여 저장(캐싱)해놨다 재사용하는데, 이를 JIT 컴파일 방식이라고 부른다.
  
  
• JRE (Java Runtime Environment): JVM + 자바 라이브러리 API
  - 자바 앱을 실행할 수 있도록 구성된 배포용 프로그램이다.
  - JVM과 핵심 라이브러리 및 자바 런타임 환경에 사용되는 설정값과 리소스를 가지고 있다.
  - 개발과 관련된 도구는 포함하지 않는다. (* 오라클11부터 JRE는 따로 제공해주고 있지않다. JDK로 제공)
  
  
• JDK (Java Development Kit)
  - JRE + 자바 컴파일러, 자바 개발 도구
  - Java 코드는 JDK에 있는 컴파일러(javac)를 통해 런타임에 사용되는 바이트코드(.class)로 컴파일 된다.
  - OpenJDK 벤더는 오픈소스이지만 [오라클 SE]는 패키지로 판매해왔다. 2019년 부터 구독형 결제로 변경됨.
• JVM의 유연한 언어지원, Java와 Kotlin
  - 위에서 말했듯이, 바이트코드를 만들 수 있는 언어는 자바만 있는 것이 아니다.
  - 대표적으로 Kotlin과 Scala. 그리고 클로저, 그루비, JRuby, Jython(다른 언어를 바이트코드로 전환)이 있다.

 

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#2. JVM 구조

• 클래스 로더
  - 바이트코드(.class)를 읽고 메모리에 저장. 메모리 레퍼런스를 연결하고 static 값들을 초기화, 변수에 할당함.
  
  
• 메모리 (스택, PC, 네이티브, 힙, 메소드)
  - 메소드 : 클래스 수준의 정보가 저장됨. 여러 스레드에서 공유해서 자용하는 자원 (클래스 이름, 메소드, 변수 정의)
  - 힙 : 객체를 저장, 여러 스레드에서 레퍼런스 심볼(* 포인터 주소값이 아님)로 접근할 수 있는 공유 자원
  - 스택 : 쓰레드마다 런타임 스택을 만듦. 그 안에 메소드 호출, 지역 변수등을 스택에 쌓아서 사용
  - PC : 프로그램 카운터 레지스터처럼 사용할 메모리. 스레드마다 현재 실행할 스택 프레임을 가르키는 포인터
  - 네이티브 메소드 스택 : 바이트코드가 아닌 다른언어(C,C++) 메서드를 사용할 수 있게 저장하는 공간. (JNI 기술)
  
  
• JNI (Java Native Interface)
  - 자바 앱에서 다른 언어로 작성된 함수 (C, C++, 어셈블리등)를 사용할 수 있는 표준 API.
  - 자바 코드에서 native 키워드를 이용하여 메소드를 호출하고 사용할 수있음.
• 실행엔진
  - 인터프리터 : 바이트코드를 한줄 씩 읽어들여 기계어로 번역, 실행함.
  - JIT 컴파일러 : 인터프리터의 효율을 높이기 위해 자주사용되는 코드를 네이티브(기계어)로 변환해서 사용
  - Garbage Collector : 더 이상 참조되지 않는 객체를 모아서 소멸시킨 후 메모리를 확보함. 

 

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# JVM의 클래스로더의 동작과정

JVM은 여러개의 클래스로더를 계층 구조로 사용하며 기본적으로 3가지 클래스 로더가 제공된다.

• Bootstrap 클래스로더 : JAVA_HOME/lib에 있는 Core Java API를 읽어들임. 최상위 우선순위
• Platform 클래스로더 : JAVA_HOME/lib/ext 또는 java.ext.dirs 시스템 변수에 있는 클래스를 읽어들임
• App 클래스로더 : 개발자가 만든 자바 앱의 클래스 경로(-classpath 또는 java.class.path 환경변수 값에 해당하는위치)의 클래스들을 읽음.

참고로 모든 객체의 조상인 Object에는 getClassLoader()라는 메서드가 있다. 이는 해당 클래스를 읽은 클래스 로더 객체를 반환 받을 수 있다. 다만 Bootstrap ClassLoader는 C언어로 작성되어있기에 호출하면 null을 반환한다.

* 잉? 자바코드를 읽는 클래스로더는 누가 읽고 어떻게 객체로 받죠?? 하면서 헷갈릴수도 있는데, 결국 컴파일러도 기계어로 한땀한땀 찍어서 만든게 아니라 다른 컴파일러를 이용해서 기계어로 컴파일 된 프로그램임을 기억하자.

클래스 로더는 Static 값을 초기화하고 정적 변수에 할당함.

• 로딩
  - 클래스 로더가 바이트코드(.class)를 읽고 적절한 이진 데이터를 [메소드 영역]에 저장함.
  - FQCN(Fully Qualified Class Name), 클래스, 인터페이스, Enum, 메소드, 변수 정보를 저장함
  - 이렇게 [메소드 영역]에 저장하고 로딩이 완료되면 이후 [힙 영역]에 해당 Class 객체 메모리를 생성.
  
  
• 링크
  - Verify(검증) : 바이트코드(.class)가 변형되지 않고 유효한지 확인함.
  - Prepare(준비) : 클래스 변수(static)와 기본값에 필요한 메모리를 할당받음.
  - Resolve(완료) : 심볼릭 레퍼런스(myClass)를 메소드 영역에 있는 실제 레퍼런스(힙 메모리 주소)로 교체함. 
  * 심볼릭 -> 실제 레퍼런스 교체는 링크가 아닌 다른시점에 일어날 수도 있음.
  
  
• 초기화
  - Static 변수의 값을 할당함. (static block이 있다면 이 시기에 실행됨)
  

 

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# 이렇게 자세하게 설명하는 이유가 뭐죠?

=> JVM은 바이트코드를 유연하게 생성할 수 있도록 제공해준다. 즉 컴파일된 바이트코드를 조작하여 내가 원하는 동작을 하도록 만들 수 있다.

 

실제로 아래와 같이 다양한 바이트코드 조작 라이브러리들이 존재한다.

• CGLib (Code Generator Library)
• ASM
• Javassist
• ByteBuddy

 

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# JaCoCo는 어떻게 만들었을까?

우아한테크코스 - 정적분석도구에 대한 설명

아래와 같은 간단한 설정파일로 코드 커버리지 도구를 사용할 수 있다.

메이븐의 pom.xml에 플러그인을 추가하고, 커버리지 만족 못하면 빌드를 실패하도록 설정.
<execution>
    <id>jacoco-check</id>
    <goals>
        <goal>check</goal>
    </goals>
    <configuration>
        <rules>
            <rule>
                <element>PACKAGE</element>
                <limits>
                    <limit>
                        <counter>LINE</counter>
                        <value>COVEREDRATIO</value>
                        <minimum>0.50</minimum>
                    </limit>
                </limits>
            </rule>
        </rules>
    </configuration>
</execution>

 

자바코드를 하나도 건드리지않고, jacoco는 어떻게 코드 커버리지를 확인하고 동작하게 만들 수 있을까?

=> 바이트코드 조작 라이브러리를 사용해서 구현했기 때문!

 

JaCoCo와 코드 커버리지가 뭐죠?

# 코드 커버리지(Code Coverage)란?

코드 커버리지는 소프트웨어의 테스트 케이스가 얼마나 충족되었는지를 나타내는 지표 중 하나.

테스트를 진행하였을 때 '코드 자체가 얼마나 실행되었는가' 에 대한 수치.

 

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@ 코드 커버리지는 어떻게 측정할까?

• 블랙박스 테스트
  - 소프트웨어의 내부 구조, 원리를 모르는 상태에서 동작을 검사하는 방식
  - 사용자 관점의 테스트. 이상한 값을 입력했을 때 올바른 출력이 나오는가?
  
  
• 화이트박스 테스트
  - 응용 프로그램의 내부 구조와 동작을 검사하는 테스트 방식.
  - 개발자의 관점에서 소프트웨어 내부의 소스코드를 테스트

 

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@ 코드 커버리지를 측정하는 기준값은 어떤것이 있을까?

• 구문(Statement) 또는 라인(Line) 커버리지
  - 조건에 따른 로직(시나리오)를 확인할 수는 없지만, 모든 코드가 실행되는지는 확인 가능한 지표

// 테스트에서 전체(100%) 코드 중, 몇 라인이 실행되는가?
// 4개의 라인중 3개가 실행됬다면 구문 커버리지는 75% (3/4)
void foo (int x) {
    system.out("start line"); // 테스트 1번
    if (x > 0) { // 테스트 2번
        system.out("middle line"); // 테스트 3번
    }
    system.out("last line"); // 테스트 4번
}

 

• 조건(Condition) 커버리지
  - 조건문의 내부조건(if)가 이상한 값이 아닌 true, false를 반환하는지 확인하는 지표

// 모든 조건식의 내부조건(if)애 대해 컨디션 값이 true 또는 false를 반환하는지 테스트
// 단, 조건이 의미없는 경우(무조건 true)도 테스트 성공으로 표기한다는 단점이 있음.
void foo (int x, int y) {
    system.out("start line");
    if (x > 0 && y < 0) { // 테스트. x,y 여러값을 대입하며 true or false가 나오는지 확인
        system.out("middle line");
    }
    system.out("last line");
}

 

• 결정(Decision) 커버리지 또는 브렌치(Branch) 커버리지
  - 테스트에 대해서 모든 조건식이 true, false를 둘 다 가져야함. 즉 로직에 따라 실행흐름이 변하는지 확인하는 지표
  - 단 조건문이 없으면 아예 테스트를 하지 않는다는 단점이 있음. => 그래서 라인 커버리지를 주로 사용.

 

@ 이게 왜 중요하죠?

테스트 코드는 발생할 수 있는 모든 시나리오에 대해 작성되어야한다. 코드 커버리지를 통한 테스트의 수치화는 개발자가 놓친 로직의 흐름이나 코드를 보완할 수 있게 만들어준다.

 

실제 현업에서도 테스트 코드의 중요성을 인지하고, 코드 커버리지 도구를 적극적으로 사용한다. 대표적으로 소나큐브(SonarQube)와 같은 정적 코드 분석도구는 코드 커버리지값이 기존보다 떨어지는 경우 커밋자체가 불가능하게 제한할 수 있다.

우아한테크코스 - 정적분석도구에 대한 설명