JVM과 커널의 동작

🏴 커널이란?

 

운영체제에 공부를 하다보면 커널이라는 것을 접하게 된다 커널을 간단하게 설명하자면 운영체제의 메모리에 상주해 있는 프로그램이라고 할 수 있다.

 

 

커널은 응응 프로그램들이 자원에 접근할 때 사용되는데, 이 때 위의 그림과 같은 과정을 거치게 된다.

 

쉘이란 이런 프로그램들이 메모리에 로딩되고 언제 메모리에서 해제되는지 관리해주는 프로그램이다. 다만 쉘이 직접 메모리에 관여한다면 여러 프로그램들이 꼬이게 되어 엉뚱한 곳에 데이터를 읽거나 쓰는 상황이 발생할 수 있다. 그래서 쉘은 I/O를 할 때 커널에게 요청을 하고 커널은 이를 받아드려 해당하는 I/O를 대신 진행해준다. 이런 요청을 System Call (시스템 콜)이라고 한다.

 

이 때 사용되는 것이 위의 그램에 존재하는 mode bit 이다. mode bit는 아래와 같은 2가지의 모드가 있다.

 

 mode bit 0 : 유저 모드

 mode bit 1 : 커널 모드

 

만약 mode bit가 1로 커널 모드라면 I/O를 진행할 수 있고 0으로 유저 모드라면 I/O는 거부되게 된다.

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커널은 리눅스 운영체제에서 사용되는데 안드로이드는 리눅스를 기반으로 했기 때문에 우리가 안드로이드에서 애플리케이션을 사용할 때 메모리에 접근하려면 바로 커널을 통해야 한다. 

 

 

그럼 이제 궁금증이 생겼다. 자바 애플리케이션은 JVM을 통해 운영체제와 상호작용한다. JVM은 어떻게, 어디서 운영체제와 상호작용하고 있는가 ❓

이제부터 이를 알아보고자 한다.

 

 

JVM에 내부 구조와 작동에 대한 자세한 설명은 아래의 게시글에 있다.

JVM의 내부 구조와 작동

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JVM의 시스템 콜

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JVM의 내부 구조는 아래 그림의 큰 사각형과 같다. 다 알필요는 없고 시스템 콜에 사용되는 부분만 알아보고자 한다.

 

 

 

1️⃣ 메모리 접근이 필요한 메서드의 발생

 

 

애플리케이션의 메소드를 실행할 때 JVM은 해당 메소드의 호출을 위해 JVM 스택에 프레임을 쌓게 된다. JVM 스택은 자바 메소드 호출의 실행 컨택스트를 저장하는 데 사용된다. 

 

만약 실행중인 메소드가 시스템 콜, 즉 메모리 접근이 필요한 네이티브 메소드라면 이 때 네이티브 메소드는 네이티브 메소드 스택에 적재되게 된다. 네이티브 메소드 스택은 네이티브 코드의 실행 컨택스트를 저장하는 데 사용된다.

 

2️⃣ 시스템 콜 요청

JVM은 JNI(JVM Native Interface)를 통해 Native Method Library(네이티브 메소드 라이브러리)를 호출해 해당 메소드를 실행한다. 이 때, 네이티브 메소드가 운영체제에 접근해야 할 경우, 네이티브 메소드는 시스템 콜을 호출하여 운영체제에게 해당 기능을 요청한다. 시스템 콜은 커널 모드로 전환되어 실행되며, 운영체제는 요청된 기능을 수행하고 그 결과를 네이티브 메소드로 반환한다. 이후 네이티브 메소드는 JVM으로 결과를 반환하고, JVM은 자바 프로그램에 해당 결과를 전달하게 된다.

 

 

 

 

따라서 애플리케이션의 메소드 실행 중에는 JVM 스택에 쌓이다가 시스템 콜이 필요한 네이티브 메소드가 호출될 경우, 해당 네이티브 메소드는 네이티브 메소드 스택에 적재되고 JVM은 커널 모드로 전환하여 운영체제에 시스템 콜을 요청한다.