Execution Engine

JVM이 메모리에 적재된 바이트코드를 실제 기계어로 변환·실행하는 핵심 엔진입니다.

전체 위치

.class (바이트코드)
   │
   ▼
┌──────────── JVM ────────────┐
│  Class Loader               │
│       ▼                     │
│  Runtime Data Area          │
│       ▼                     │
│  ┌─ Execution Engine ─────┐ │
│  │  Interpreter            │ │
│  │  JIT Compiler           │ │
│  │  Garbage Collector      │ │
│  └─────────────────────────┘ │
│       ▼                     │
│  Native Method Interface    │
└─────────────────────────────┘
   ▼
  OS / CPU

3대 구성 요소

1. Interpreter (인터프리터)

바이트코드를 한 줄씩 읽어 즉시 실행합니다.

bytecode: iconst_1     →  해석 → 실행
          iconst_2     →  해석 → 실행
          iadd         →  해석 → 실행
          istore_1     →  해석 → 실행
장점단점
초기 실행 속도가 빠름 (컴파일 대기 없음)같은 코드를 반복 실행해도 매번 해석
메모리 사용이 적음루프·핫스팟 코드에서 성능 저하

2. JIT Compiler (Just-In-Time 컴파일러)

반복 실행되는 핫스팟(Hot Spot) 코드를 감지해 네이티브 코드로 일괄 컴파일하고 캐싱합니다.

최초 호출       → Interpreter가 실행
반복 호출 감지   → JIT가 네이티브 코드로 컴파일
이후 호출       → 캐싱된 네이티브 코드 직접 실행 (해석 생략)

JIT 내부 동작 흐름

바이트코드
   │
   ▼
Profiler (실행 횟수 카운팅)
   │  임계값 초과?
   ▼
IR 생성 (Intermediate Representation)
   │
   ▼
최적화 (Inlining, Dead Code 제거, Loop 최적화 등)
   │
   ▼
네이티브 코드 생성 → Code Cache에 저장

JIT 컴파일러 종류 (HotSpot JVM)

컴파일러별칭특징
C1Client Compiler가벼운 최적화, 빠른 컴파일 → 시작 속도 중시
C2Server Compiler공격적 최적화, 느린 컴파일 → 최대 실행 속도 중시
Tiered(기본값)C1 → C2 단계적 적용으로 양쪽 장점 활용

Tiered Compilation 5단계

Level 0 : Interpreter
Level 1 : C1 (프로파일링 없음, 단순 메서드)
Level 2 : C1 (제한적 프로파일링)
Level 3 : C1 (전체 프로파일링)         ← 대부분 여기서 시작
Level 4 : C2 (최대 최적화)            ← 핫스팟 코드 최종 도달

주요 JIT 최적화 기법

기법설명예시
Method Inlining메서드 호출을 본문으로 대체getAge() → 필드 직접 접근
Loop Unrolling루프 반복을 펼쳐 분기 비용 감소4회 반복 → 4줄로 전개
Dead Code Elimination실행되지 않는 코드 제거if(false) 블록 삭제
Escape Analysis객체가 메서드 밖으로 안 나가면 스택 할당Heap 할당 회피 → GC 부담 감소
Null Check Elimination불필요한 null 체크 제거프로파일링으로 항상 non-null 확인 시

3. Garbage Collector (가비지 컬렉터)

Heap 영역에서 더 이상 참조되지 않는 객체를 자동 회수합니다.

void example() {
    Object a = new Object();  // Heap에 할당
    a = null;                  // 참조 끊김 → GC 대상
}

GC 동작 영역

┌─── Young Gen ───┐       ┌─── Old Gen ───┐
│ Eden │ S0 │ S1  │       │               │
│  Minor GC       │       │   Major GC    │
│  (빈번, 빠름)   │       │  (드묾, 느림)  │
└─────────────────┘       └───────────────┘

주요 GC 알고리즘

GC특징적합 환경
Serial단일 스레드, Stop-The-World소규모 앱, 클라이언트
Parallel멀티 스레드 GC처리량(Throughput) 중시
G1Heap을 Region 단위 관리 (Java 9+ 기본)범용, 대용량 힙
ZGC수 ms 이하 pause, TB급 힙 지원초저지연 요구 서비스
ShenandoahZGC와 유사, RedHat 주도저지연 요구 서비스

Interpreter vs JIT 비교

항목InterpreterJIT Compiler
변환 단위한 줄씩메서드·블록 단위
실행 시점즉시임계값 초과 후
결과 캐싱XO (Code Cache)
초기 속도빠름컴파일 오버헤드 있음
반복 실행 성능느림빠름 (네이티브 수준)

실행 예시

for (int i = 0; i < 100_000; i++) {
    compute(i);   // 반복 호출
}

i = 0~999       → Interpreter가 해석·실행
i = 1,000 부근  → Profiler가 "핫스팟" 감지, C1 컴파일 트리거
i = 5,000 부근  → C2 최적화 컴파일 완료
i = 5,001~      → Code Cache의 네이티브 코드 직접 실행

핵심 정리

Execution Engine은 Interpreter로 빠르게 시작하고, JIT Compiler로 반복 코드를 최적화하며, GC로 메모리를 자동 관리합니다. 이 세 가지가 협력하여 Java가 "한 번 작성하면 어디서든, 충분히 빠르게, 메모리 걱정 없이" 실행될 수 있도록 보장합니다.

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