[JVM] 네이티브 코드와 JVM

출처

ChatGPT

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네이티브 코드 Native Code

네이티브 코드란 특정 하드웨어 아키텍처와 운영 체제에서 직접 실해애되는 기계어(machine code)를 만한다. 네이티브 코드는 프로세스가 직접 이해하고 실행할 수 있는 형태의 코드이기 때문에, 다른 중간 레이어(예: 가상 머진 또는 인터프리터 )를 거치지 않고 직접 실행된다.

 

네이티브 코드 특징

1. 기계어

• 네이티브 코드는 CPU가 직접 이해할 수 있는 이진 형식의 기계어로 변환된다.
• 각 CPU 아키텍처(예: x86, ARM)에 따라 다른 명령어 세트를 사용하므로, 특정 하드웨어에 최적화되어 있다.

2. 플랫폼 의존적

• 특정 하드웨어와 운영 체제에 종속적이다. 즉, 한 플랫폼에서 컴파일된 네이티브 코드는 다른 플랫폼에서 실행되지 않을 수 있다.
• 예를 들어, x86 프로세서를 위한 네이티브 코드는 ARM 프로세서에서 실행되지 않는다.

3. 빠른 실행 속도

• 중간 레이어 없이 직접 실행되기 때문에, 인터프리터나 가상 머신을 사용하는 코드보다 빠르게 실행될 수 있다.
• 컴파일러가 최적화를 통해 CPU와 메모리 구조에 맞게 코드를 최적화할 수 있다.

4. 컴파일러에의 생성됨

고급 언어로 작성된 코드는 컴파일러에 의해 네이티브 코드로 변환된다.

예를 들어, C/C++로 작성된 프로그램은 컴파일 단계에서 네이티브 코드로 변환된다.

 

네이티브 코드와 JVM

Java와 같은 언어에서는 JVM(Java Virtual Machine)을 통해 바이트코드(Bytecode)를 실행한다. 바이트코드를 플랫폼 독립적인 중간 코드로, 모든 JVM에서 실행될 수 있다. 그러나 JVM이 바이트코드를 네이티브 코드로 변환하여 실행할 때, Just-In-Time (JIT) 컴파일러가 이 작업을 수행한다.

JIT 컴파일러의 역할

1. 동적 컴파일

JIT 컴파일러는 애플리케이션 실행 시 바이트코드를 네이티브 코드로 변환한다. 이 변환 과정은 런타임에 수행되며, 자주 실행되는 코드 패스를 최적화한다.

2. 성능 최적화

JIT는 프로그램의 성능을 높이기 위해 실행 중인 코드의 프로파일 정보를 수집하고, 이 정보를 기반으로 최적화를 수행한다.

 

네이티브 코드의 예시

C 프로그램을 네이티브 코드로 컴파일하는 예시

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

 

위의 C 코드를 컴파일하면, C 컴파일러(gcc 또는 clang 등)가 이 코드를 네이티브 코드로 변환한다. 예를 들어, x86 아키텍처에서 실행할 수 있는 기계어로 변환된다.

네이티브 코드로 컴파일 과정

 

1. 프리프로세싱: 전처리기(Preprocessor)가 #include와 같은 디렉티브를 처리합니다.
2. 컴파일: 고급 언어 코드를 중간 코드(IR, Intermediate Representation)로 변환합니다.
3. 어셈블리: 중간 코드를 어셈블리 코드로 변환합니다.
4. 링킹: 어셈블리 코드를 네이티브 기계어로 변환하고, 프로그램의 실행 파일을 생성합니다.

 

 

네이티브 코드 vs 바이트 코드

특성	네이티브 코드	바이트코드
종속성	플랫폼에 종속적	플랫폼 독립적
실행 속도	매우 빠르다	느림(인터프리터 또는 VM에 의존)
유연성	변경 시 다시 컴파일이 필요하다	변경 시 즉각적 반영 가능(JVM 사용)
코드 크기	최적화된 작은 크기	비교적 크거나 최적화되지 않음
배포 및 유지보수	플랫폼별 별도 배포 필요	모든 플랫폼에서 동일한 배포 가능

 

네이티브 코드와 AOT 컴파일

AOT(Ahead-Of-Time) 컴파일러는 JIT와 달리 프로그램 실행 전에 소스 코드 또는 바이트코드를 네이티브 코드로 변환한다. Java의 GraalVM 또는.NET의 CoreRT 같은 기술이 AOT 컴파일을 지원한다.

장점

1. 빠른 시작 시간

• 앱이 실행되기 전에 이미 네이티브 코드로 컴파일되어 있어 실행이 빠르다

2. 배터리 효율성

• 모바일 환경에서는 런타임 컴파일 부담이 줄어들어 배터리 효율성이 높다.

단점

1. 플랫폼 종속성

• AOT로 컴파일된 코드는 특정 플랫폼에 종속적이므로, 각 플랫폼에 맞는 네이티브 코드를 별로도 준비해야 한다.

2. 초기 컴파일 시간 증가

• 초기 컴파일 시간과 저장 공간이 증가할 수 있다.

 

결론

네이티브 코드는 컴퓨터 하드웨어가 직접 실행할 수 있는 기계어 형태의 코드로, 실행 속도와 효율성이 뛰어나다. JIT와 AOT 컴파일러는 고급 언어로 작성된 코드 또는 바이트코드를 네이티브 코드로 변환하여, 애플리케이션의 성능을 극대화한다. 이러한 방식은 다양한 플랫폼에서 실행 가능한 코드를 개발하는 데 있어 중요한 역할을 하며, 성능 최적화에도 크게 기여한다.

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ChatGPT에게 이 글의 출처를 물었다.

네이티브 코드에 대한 출처

1. "Computer Systems: A Programmer's Perspective" by Randal E. Bryant and David R. O'Hallaron
   • 내용: 이 책은 컴퓨터 시스템의 내부 구조와 작동 방식을 프로그래머 관점에서 설명하며, 네이티브 코드의 개념과 중요성을 다룹니다.
   • 설명:
     • 네이티브 코드는 하드웨어가 직접 이해할 수 있는 기계어로 컴파일된 프로그램입니다.
     • 프로그램이 특정 플랫폼에서 최대의 성능을 발휘할 수 있도록 최적화된 형태입니다.
   • 링크: Computer Systems on Amazon
2. "Modern Operating Systems" by Andrew S. Tanenbaum
   • 내용: 이 책은 운영 체제의 기본 원리와 다양한 구조를 설명하며, 네이티브 코드가 운영 체제의 실행과 관련된 부분을 다룹니다.
   • 설명:
     • 네이티브 코드는 운영 체제가 직접 실행할 수 있는 이진 형태로 컴파일됩니다.
     • 다양한 운영 체제와 하드웨어 아키텍처에 맞춰 설계된 프로그램은 네이티브 코드로 컴파일되어 성능을 최적화합니다.
   • 링크: Modern Operating Systems on Amazon
3. "Compilers: Principles, Techniques, and Tools" by Alfred V. Aho, Monica S. Lam, Ravi Sethi, Jeffrey D. Ullman
   • 내용: 컴파일러 이론과 설계의 기초를 다루며, 소스 코드가 네이티브 코드로 변환되는 과정을 설명합니다.
   • 설명:
     • 네이티브 코드 변환은 소스 코드를 특정 하드웨어에 맞춘 최적화된 기계어로 변환하는 과정입니다.
     • 이 과정은 컴파일러의 최적화 단계에서 이루어지며, 성능 향상에 중요한 역할을 합니다.
   • 링크: Compilers on Amazon
4. "Programming Language Pragmatics" by Michael L. Scott
   • 내용: 이 책은 프로그래밍 언어의 설계와 구현에 관한 내용을 다루며, 네이티브 코드와 관련된 다양한 개념을 설명합니다.
   • 설명:
     • 네이티브 코드는 특정 플랫폼의 CPU와 운영 체제에서 직접 실행되는 형태의 코드입니다.
     • 이 코드는 플랫폼에 최적화되어 성능을 극대화할 수 있습니다.
   • 링크: Programming Language Pragmatics on Amazon
5. "The Art of Computer Programming" by Donald E. Knuth
   • 내용: 이 책은 컴퓨터 과학의 다양한 주제를 다루며, 특히 알고리즘과 기계어, 네이티브 코드의 구현에 관한 내용을 포함하고 있습니다.
   • 설명:
     • 네이티브 코드는 고급 언어에서 작성된 코드가 기계어로 변환되어 CPU에서 직접 실행되는 형태입니다.
     • 이 변환 과정은 성능 최적화와 실행 효율성을 극대화하기 위한 중요한 단계입니다.
   • 링크: The Art of Computer Programming on Amazon