[Java 파헤쳐보기] Java의 바이트 코드 눈으로 확인해보기

지난 포스팅에서 소스코드를 자바 컴파일러가 바이트코드로 변환하는 것을 다루어보았다.

 

그럼 Java의 바이트 코드가 어떻게 생겼는지 직접 생성하고 확인해보자

 

 

public class bytecode {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "정동교";
        int age = 20;
        Person me = new Person(name, age);
        System.out.println(me.getInfo());
    }
}

class Person{
    String name;
    int age;
    Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    String getInfo() {
        return("이름은 " + name + ", 나이는 " + age);
    }
}

 

이런 간단한 코드를 생성해보았다. 이제 컴파일해보자.

 

 

 

파일을 컴파일하면, 2개의 클래스를 생성했기 때문에 두 개의 클래스파일이 생성된다. 

 

https://hexed.it/

 

그리고 이것을 HexEditor로 열어보면 위와 같다. 정신이 아득해지니 그냥 넘기자.

 

 

이걸 쉽게 보기 위해서는 아래 명령어를 실행하면 된다. javap 는 java class file disassembler 이다.

javap -v -p -s bytecode.class

 

 

그럼 아래처럼 바이트 코드를 확인할 수 있다.

Classfile /Users/jeongdong-gyo/Desktop/bytecode/bytecode.class
  Last modified 2024. 9. 7.; size 539 bytes
  SHA-256 checksum 04714ba93f8e3cc24088d108960d0c90678ef86c91e5c41cddc8a52c98fd2c26
  Compiled from "bytecode.java"
public class bytecode
  minor version: 0
  major version: 61
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #30                         // bytecode
  super_class: #2                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, 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 = String             #8             // 정동교
   #8 = Utf8               정동교
   #9 = Class              #10            // Person
  #10 = Utf8               Person
  #11 = Methodref          #9.#12         // Person."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
  #12 = NameAndType        #5:#13         // "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
  #13 = Utf8               (Ljava/lang/String;I)V
  #14 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #15 = Class              #17            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #18:#19        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Utf8               java/lang/System
  #18 = Utf8               out
  #19 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #20 = Methodref          #9.#21         // Person.getInfo:()Ljava/lang/String;
  #21 = NameAndType        #22:#23        // getInfo:()Ljava/lang/String;
  #22 = Utf8               getInfo
  #23 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #24 = Methodref          #25.#26        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #25 = Class              #27            // java/io/PrintStream
  #26 = NameAndType        #28:#29        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #27 = Utf8               java/io/PrintStream
  #28 = Utf8               println
  #29 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #30 = Class              #31            // bytecode
  #31 = Utf8               bytecode
  #32 = Utf8               Code
  #33 = Utf8               LineNumberTable
  #34 = Utf8               main
  #35 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #36 = Utf8               SourceFile
  #37 = Utf8               bytecode.java
{
  public bytecode();
    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 1: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=4, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #7                  // String 정동교
         2: astore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: new           #9                  // class Person
         9: dup
        10: aload_1
        11: iload_2
        12: invokespecial #11                 // Method Person."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
        15: astore_3
        16: getstatic     #14                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        19: aload_3
        20: invokevirtual #20                 // Method Person.getInfo:()Ljava/lang/String;
        23: invokevirtual #24                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        26: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 3
        line 5: 6
        line 6: 16
        line 7: 26
}
SourceFile: "bytecode.java"

 

 

 

전부 이해하는 것은 과하다고 생각해 몇 가지 구성 요소만 살펴보자

 

 

Constant pool

위 코드에서 눈에 띄는 부분이다.

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 = String             #8             // 정동교
   #8 = Utf8               정동교
   #9 = Class              #10            // Person
  #10 = Utf8               Person
  #11 = Methodref          #9.#12         // Person."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
  #12 = NameAndType        #5:#13         // "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
 ...

 

 

자바에서의 String은 Constant pool을 사용한다는 말을 얼핏 들었던 적이 있는데, 정확히 무슨 개념인지 알지 못했다.

 

 

 

Constant pool은 메모리를 효율적으로 이용하기 위해 도입된 것이다. 여기에는 String 변수의 값이 들어간다.

 

 

위 그림을 살펴보자. Heap 영역 내에 문자열 상수의 Pool을 가지고, 거기엔 사용자가 정의한 변수가 가지고 있는 값을 담는다. 

 

위 그림에서 Cat이라는 중복된 상수는 하나의 String Pool 주소를 가르키는 것을 볼 수 있다. 객체의 값이 이미 존재한다면 해당 레퍼런스를 참조해 메모리의 사용량을 줄일 수 있게된다.

 

 

 

 

 

Instruction Set

말 그대로 명령어의 집합이다. 

    Code:
      stack=4, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #7                  // String 정동교
         2: astore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: new           #9                  // class Person
         9: dup
        10: aload_1
        11: iload_2
        12: invokespecial #11                 // Method Person."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
        15: astore_3
        16: getstatic     #14                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        19: aload_3
        20: invokevirtual #20                 // Method Person.getInfo:()Ljava/lang/String;
        23: invokevirtual #24                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        26: return
...

 

컴파일러를 통해 컴파일된 상태이기 때문에, JVM 내에서 동작을 어떻게 해야하는지를 나타내는 명령어를 포함하게 된다.

 

 

 앞의 0: , 1:  과 같은 숫자는 해당 명령어가 프로그램의 어느 위치에 있는지를 나타낸다. 예를들어 0: 은 idc #7 이 해당 프로그램의 0번째 바이트 위치에 있다는 것을 말한다.

 

idc, aload, istore 같은 명령어는 OpCode 인데, idc는 상수를 스택에 로드해라. istore는 스택의 값을 로컬 변수에 저장해라는 뜻이다. 

 

뒤의 #7 은 OpCode가 필요한 추가 데이터를 제공하는데, 예를 들어 ldc #7에서 #7은 상수를 의미하는 Operand이다.

 

 

그 외의 명령어 정의는 아래에서 확인할 수 있다.

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html

Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set

 

 

 

포스팅의 의도는 바이트 코드를 간단히 보여주는 것이었는데 생각보다 어려워진 것 같다. 그냥 이렇게 바이트 코드가 생겼고, 이렇게 JVM에서 동작하는구나 정도로만 이해하면 좋을 것 같다.

 

 

 

 

참고자료

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Java_bytecode_instructions

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html

https://wonit.tistory.com/589#google_vignette