바이트코드

3. 특징

바이트코드는 특정 가상 머신이나 인터프리터에 의해 실행되는 명령어 집합으로, 다음과 같은 특징을 갖는다.

• 이식성: 소스 코드를 직접 해석하는 것보다 효율적이며, 다양한 플랫폼에서 동일한 코드를 실행할 수 있게 해준다. 자바 코드는 바이트코드 형식으로 저장되어 JIT 컴파일을 통해 기계어로 번역되는데, 이는 소스 코드를 직접 해석하는 것보다 약 10배 빠르다.
• 실행 성능: 바이트코드 인터프리터는 이식성이 높고, 동적 번역기(JIT 컴파일러)는 런타임 시 바이트코드를 기계어로 번역한다. 많은 언어 구현에서 소스 코드를 바이트코드로 컴파일 후 가상 머신에 전달하는 방식을 사용한다. (자바, 라쿠, 파이썬, PHP 등). 유닉스 보급 이후, 많은 컴퓨터가 바이트 단위 메모리 접근에 특화된 명령어를 제공하며, 바이트코드는 이러한 환경에 맞춰 설계되어 성능이 높다.
• 보안: 소스 코드 내용을 숨기고 악의적인 코드 실행을 방지하는 데 도움이 된다.^[10]

3. 1. 이식성

3. 2. 실행 성능

3. 3. 보안

3. 4. 스택 머신 vs 레지스터 머신

• 스택 머신 (Stack Machine)
• 명령 집합에서 암묵적으로 스택 탑을 오퍼랜드로 사용하며, 오퍼랜드 위치를 명시하는 영역이 불필요하다.^[6]
• 목적하는 오퍼랜드가 스택 탑에 없는 경우에는 오퍼랜드 이동을 위한 명령을 추가한다.^[6]
• 스택 머신 명령 한 개당 길이와 기능은 레지스터 머신 한 명령 내의 개별 오퍼랜드 필드 한 개 또는 코드 필드와 동등하다.^[6]
• 명령 순서를 재정렬하여 오퍼랜드 이동 명령을 생략할 수 있다.^[6]
• 오퍼랜드 이동을 생략하면 스택 머신이 동등한 프로그램을 더 짧게 기술할 수 있는 경우가 많다. 데이터 캐시 적중률도 높아져 프로그램 크기 감소가 실질적인 속도 개선으로 이어진다.^[6]
• 오퍼랜드 이동을 생략해도 스택 머신이 레지스터 머신보다 명령 수가 많아진다.^[6]
• 스택 머신형 인터프리터에서는 대부분 명령의 피연산자가 스택 탑으로 정해져 있고, 참조할 물리 레지스터를 컴파일 시 결정할 수 있으므로, 스택 탑 몇 개를 물리 레지스터로 구현한다.^[6]
• 많은 실제 기기에서 레지스터를 통한 데이터 전달은 1클럭으로 가능하지만, 메모리를 통한 데이터 전달은 수 클럭을 필요로 하므로, 바로 앞 명령의 결과를 바로 뒤 명령이 사용하는 처리가 이어진 경우 레지스터 머신은 불리하다.^[6]
• ALGOL 이후 많은 프로그래밍 언어는 문맥 자유 문법으로 기술할 수 있으며, 스택 머신과 유사한 푸시다운 오토마타로 구문 분석할 수 있다. 따라서 스택 머신용 코드 생성기는 구문 분석기와 일체화하여 메모리 절약 및 고속화가 가능하다.^[6]
• 자바 가상 머신 등 스택 머신도 많다.^[6]

• 레지스터 머신 (Register Machine)
• 명령 집합에서 오퍼랜드 위치를 명령 내에서 명시한다.^[6]
• 개별 명령이 매우 단순한 처리만 수행하는 바이트코드 인터프리터에서는 명령 종류를 판정하고 분기하는 처리가 실행 시간의 큰 부분을 차지하므로, 이 점에서 레지스터 머신이 유리하다.^[6]
• 레지스터 머신형 인터프리터에서는 번호로 가상 레지스터를 지정하지만, 많은 실제 기기에서는 실행 시 물리 레지스터를 번호로 참조할 수 없기 때문에 메모리 배열로 가상 레지스터를 구현하는 경우가 많다.^[6]
• 레지스터 머신은 한정된 레지스터를 재사용하는 레지스터 할당을 수행해야 한다. 단, 인터프리터의 가상 레지스터는 메모리 배열로 구현되는 경우가 많다.^[6]
• Lua 버전 5나 달빅 가상 머신 등 레지스터 머신도 많다.^[6]

4. 작동 방식

소스 코드를 직접 해석하는 인터프리터와 동등한 이식성을 확보하면서 인터프리터의 성능을 높이거나, 소스 코드의 내용을 숨기는 것이 목적이라면 어떠한 중간 표현으로도 충분하다. 이러한 중간 표현 중에서 바이트코드의 의의는 인터프리터의 해석 실행 성능이 가장 높다는 것이다.

유닉스가 보급된 이래로, 많은 컴퓨터에는 바이트 단위의 메모리 접근에 특화된 명령이 제공되고 있다. 컴퓨터의 메모리 접근은 해당 컴퓨터 고유의 크기인 워드 단위가 가장 효율적이다. 또한, 실제 하드웨어의 기계어 성능을 높이기 위해 기계어와 마찬가지로 후속 주소를 순차적으로 읽어 들이는 메모리 접근 패턴은 많은 컴퓨터의 메모리 시스템에서 최적화되어 있다. 바이트코드는 이러한 컴퓨터에게 가장 효율적인 메모리 단위와 접근 패턴에 표현 체계를 맞춘 것이다. 이러한 성능상의 이점으로 인해 현재 많은 인터프리터 언어는 실제로 바이트코드로 컴파일된 후, 바이트코드 인터프리터에 의해 실행된다.

자바 프로그램은 사용자의 환경에 관계없이 성능을 확보할 수 있기 때문에 소스 코드뿐만 아니라 바이트코드로 컴파일된 것도 표준적으로 배포되는 경우가 많다.

또한, 중간 표현 중에서도 실제 하드웨어의 기계어와 가장 유사한 것이므로, 기계어로 변환하기 직전의 중간 표현으로도 사용되는 경우가 있다. 바이트코드를 사용한 초기 컴퓨터에는 System/38이 있으며, 소프트웨어 설치 시 기계어로 변환되었다.

4. 1. 인터프리터 방식

4. 2. JIT(Just-In-Time) 컴파일 방식

5. 한국에서의 활용 사례

(바이트코드 문서의 "한국에서의 활용 사례" 섹션은 원본 소스에 관련 내용이 없으므로 작성할 수 없습니다.)

6. 다양한 바이트코드의 예

다음은 다양한 프로그래밍 언어 및 플랫폼에서 사용되는 바이트코드의 예시이다.

• 액션스크립트: 플래시 플레이어와 AIR의 일부인 액션스크립트 가상 머신(AVM)에서 실행된다. 액션스크립트 코드는 일반적으로 컴파일러에 의해 바이트코드 포맷으로 변환된다.
• 어도비 플래시 오브젝트
• BANCStar
• 버클리 패킷 필터
• 바이트 코드 엔지니어링 라이브러리
• C to 자바 가상 머신 컴파일러
• 커먼 리스프
• CLISP 구현체
• CMUCL 및 Scieneer Common Lisp 구현체: 네이티브 코드나 바이트코드로 컴파일할 수 있다.
• 임베디드 커먼 리스프 구현체: 바이트코드나 C 코드로 컴파일이 가능하다.
• 공통 중간 언어: 공통 언어 런타임에 의해 실행된다.
• 달빅 바이트코드: 안드로이드 플랫폼용으로 설계되어 달빅을 통해 실행된다.
• 디스 바이트코드(Dis bytecode)
• 에펠스튜디오
• EM(암스테르담 컴파일러 키트) 가상 머신
• 이맥스
• 얼랭의 에릭슨 구현체: BEAM 바이트코드를 사용한다.
• 아이콘^[7]과 유니콘^[8]
• 인포콤
• 자바 바이트코드: 자바 가상 머신에 의해 실행.
• KEYB: 도스용 키보드 드라이버
• LLVM
• 루아 언어: 레지스터 기반 바이트코드 가상 머신을 사용한다.
• MATLAB 언어의 m-코드^[9]
• BCPL 프로그래밍 언어의 O-code
• OCaml 언어: 선택적으로 콤팩트 바이트코드 형태로 컴파일한다.
• 파스칼의 USCD 파스칼 구현체의 p-code
• 패럿 가상 머신
• 픽 베이직
• 통계 컴퓨팅을 위한 R 환경
• 스킴의 스킴 48 구현체
• 스몰토크 언어의 수많은 구현체의 바이트코드.
• 스핀 인터프리터
• SQLite 데이터베이스 엔진: SQL 문을 bespoke 바이트코드 포맷으로 변환한다.^[10]
• SWEET16
• Tcl
• 비주얼 폭스프로
• 루비용 YARV 및 Rubinius

6. 1. 프로그래밍 언어

• C#과 같은 .NET 언어에서 사용되는 공통 중간 언어(CIL)는 공통 언어 런타임에 의해 실행된다.
• 파이썬 스크립트는 실행 시 파이썬의 바이트코드 언어로 컴파일되고, 컴파일된 파일(.pyc)은 스크립트 폴더 내에 캐시된다.
• 루아 언어는 레지스터 기반 바이트코드 가상 머신을 사용한다.
• 얼랭의 에릭슨 구현체는 BEAM 바이트코드를 사용한다.
• 스몰토크 언어의 수많은 구현체는 바이트코드를 사용한다.

6. 2. 가상 머신

7. 비판 및 한계

바이트코드는 특정 가상 머신에 종속적이어서 해당 가상 머신이 없는 환경에서는 실행할 수 없다는 단점이 있다. 또한, JVM에서 실행되는 자바 바이트코드와 같이, JIT 컴파일 방식을 사용하는 경우 초기 실행 시 오버헤드가 발생할 수 있다.

8. 결론

바이트코드는 소프트웨어 개발에서 이식성, 실행 성능, 보안 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 소스 코드를 직접 해석하는 인터프리터와 동등한 이식성을 확보하면서 인터프리터의 성능을 높이거나, 소스 코드의 내용을 숨기는 것이 목적이라면 중간 표현으로도 충분하다. 이러한 중간 표현 중에서 바이트 코드는 인터프리터의 해석 실행 성능이 가장 높다는 장점이 있다.^[1]

유닉스 보급 이후, 많은 컴퓨터에는 바이트 단위 메모리 접근에 특화된 명령이 제공되고 있다. 바이트 코드는 컴퓨터에 가장 효율적인 메모리 단위와 접근 패턴에 맞춰진 표현 체계이다. 이러한 성능상 이점 때문에, 현재 많은 인터프리터 언어는 실제로는 바이트 코드로 컴파일된 후, 바이트 코드 인터프리터에 의해 실행된다.^[1]

자바 프로그램은 사용자 환경에 관계없이 성능을 확보할 수 있어, 소스 코드뿐만 아니라 바이트 코드로 컴파일된 것도 표준적으로 배포되는 경우가 많다. 또한, 중간 표현 중에서도 실제 하드웨어의 기계어와 가장 유사하므로, 기계어로 변환하기 직전의 중간 표현으로도 사용된다. 바이트 코드를 사용한 초기 컴퓨터에는 System/38이 있으며, 소프트웨어 설치 시 기계어로 변환되었다.^[1]

한국에서도 자바, 안드로이드 앱 개발 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 앞으로도 웹어셈블리 등 새로운 기술 발전에 따라 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

참조

_[1] 웹사이트 Exploring the New PHP JIT Compiler https://www.zend.com[...] 2021-02-19
_[2] 웹사이트 PHP 8: The JIT - stitcher.io https://stitcher.io/[...] 2021-02-19
_[3] 웹사이트 Berkeley Pascal https://github.com/a[...] 2022-07-11
_[4] 웹사이트 CLHS: Function DISASSEMBLE http://www.lispworks[...]
_[5] 웹사이트 The Common Lisp Cookbook – Performance Tuning and Tips https://lispcookbook[...] 2023-12-13
_[6] 문서 実機ではデコーダやエンコーダといった論理回路に向いたビットパターンのほうが好まれるといった細かい傾向の違いなどはある。
_[7] 웹인용 The Implementation of the Icon Programming Language http://www.cs.arizon[...] 2017-04-01
_[8] 문서 The Implementation of Icon and Unicon a Compendium http://unicon.source[...]
_[9] 웹인용 United States Patent 6,973,644 http://patft.uspto.g[...] 2017-04-01
_[10] 웹인용 The SQLite Bytecode Engine https://www.sqlite.o[...] 2017-04-01