달빅 가상 머신

달빅 가상 머신의 핵심 설계 특징은 레지스터 머신 형태의 아키텍처를 채택한 점이다. 이는 전통적인 자바 가상 머신(JVM)이 스택 머신 방식을 사용하는 것과 대비된다. 스택 머신은 연산을 수행할 때 데이터를 스택에 넣고 빼는 방식으로 동작하는 반면, 레지스터 머신은 명령어가 직접 CPU의 레지스터와 유사한 가상 공간을 참조하여 작업을 처리한다.

이러한 레지스터 기반 설계는 명령어의 수를 줄이는 데 기여한다. 동일한 작업을 수행하기 위해 필요한 명령어가 스택 방식보다 일반적으로 더 적기 때문이다. 결과적으로 DEX 파일로 변환된 애플리케이션 코드는 더 간결해지고, 이를 해석하는 가상 머신의 실행 부담도 감소한다. 이는 처리 속도 향상에 일정 부분 기여하는 요소로 작용했다.

또한, 이 아키텍처는 달빅이 목표로 한 적은 메모리 요구 사양에 최적화하는 데 부합한다. 명령어가 줄어들면 코드 크기 자체가 작아지고, 실행 시 메모리 내 코드 캐시의 효율성을 높일 수 있다. 이러한 설계 선택은 당시 스마트폰과 같은 임베디드 시스템의 제한된 하드웨어 자원 환경에서 애플리케이션 실행 효율을 높이기 위한 중요한 결정이었다.

달빅 가상 머신이 실행하는 기본 코드 형식은 DEX 파일이다. DEX는 'Dalvik EXecutable'의 약자로, 자바 클래스 파일을 변환하여 생성된다. 이 변환 작업은 안드로이드 SDK에 포함된 'dx'라는 도구를 통해 이루어진다. DEX 파일 형식은 스택 머신 방식의 자바 바이트코드와 달리, 달빅의 레지스터 기반 아키텍처에 맞게 설계되었다.

DEX 파일의 주요 설계 목표는 메모리 사용량을 최소화하고 실행 효율을 높이는 것이다. 이를 위해 여러 개의 자바 클래스 파일을 하나의 DEX 파일로 통합하여 중복된 정보를 제거한다. 예를 들어, 상수 풀과 메서드 시그니처 같은 데이터를 공유함으로써 전체 파일 크기를 줄이고, 런타임 시 메모리 로딩 속도를 향상시킨다. 이는 당시 스마트폰과 같은 임베디드 시스템의 제한된 하드웨어 자원에 최적화된 접근 방식이었다.

이러한 DEX 파일 형식은 안드로이드 애플리케이션 패키지(APK) 내부에 저장되어 배포된다. 애플리케이션이 설치될 때 달빅 가상 머신은 이 DEX 파일을 해석하고 실행한다. 이 형식은 안드로이드 4.4.4(킷캣) 버전까지 사용된 달빅 런타임의 핵심 요소였으며, 이후 ART(안드로이드 런타임)로 대체되면서 AOT 컴파일 방식에 맞게 발전하였다.

달빅 가상 머신은 제한된 메모리 자원을 가진 모바일 기기 환경에 맞춰 설계되었다. 이는 스마트폰과 태블릿 컴퓨터와 같은 장치에서 효율적으로 실행되도록 하는 핵심 목표였다. 달빅의 메모리 최적화는 DEX 파일 형식과 레지스터 기반 아키텍처를 통해 실현된다.

자바 바이트코드를 사용하는 표준 자바 가상 머신과 달리, 달빅은 자바 클래스 파일들을 하나의 .dex 파일로 변환하여 실행한다. 이 과정에서 중복된 상수, 메타데이터, 함수 코드를 공유하고 제거함으로써 전체 파일 크기를 줄인다. 결과적으로 애플리케이션의 설치 공간과 런타임 시 필요한 메모리 사용량이 감소한다.

또한, 레지스터 기반 설계는 스택 기반 아키텍처에 비해 일반적으로 더 적은 수의 명령어를 필요로 한다. 이는 코드 실행 경로를 단순화하고 명령어 디코딩 및 실행에 소요되는 CPU 사이클을 줄여, 간접적으로 메모리 접근과 관련된 오버헤드를 최소화하는 효과를 가져온다. 이러한 설계는 저사양 하드웨어에서도 원활한 성능을 보장하는 데 기여했다.

이러한 메모리 최적화 덕분에 달빅은 안드로이드 4.4.4 이전 버전의 표준 런타임으로 광범위하게 채택될 수 있었다. 이후 더 높은 성능과 효율성을 목표로 AOT 컴파일 방식을 사용하는 ART(안드로이드 런타임)로 대체되었다.

달빅 가상 머신은 애플리케이션을 실행하는 프로세스와 메모리를 관리하는 데 있어 기본 운영 체제의 기능에 크게 의존한다. 각 안드로이드 애플리케이션은 고유한 리눅스 프로세스로 실행되며, 이 프로세스 내에 독립적인 달빅 VM 인스턴스가 생성된다. 이러한 설계는 운영 체제가 제공하는 프로세스 아이솔레이션을 통해 애플리케이션 간에 메모리와 실행 환경을 격리시켜 보안과 안정성을 높인다. 하나의 장치에서 여러 달빅 VM이 동시에 실행될 수 있는 이유도 이 같은 구조 덕분이다.

메모리 관리 측면에서 달빅은 적은 메모리 공간에서 효율적으로 작동하도록 최적화되었다. 가비지 컬렉션이 구현되어 애플리케이션이 더 이상 사용하지 않는 객체 메모리를 자동으로 회수한다. 또한, DEX 파일 형식과 레지스터 기반 아키텍처는 스택 기반 머신에 비해 일반적으로 더 적은 수의 명령어와 레지스터 접근을 가능하게 하여 전체적인 메모리 사용량을 줄이는 데 기여한다. 이 모든 관리는 기본 리눅스 커널의 메모리 관리 시스템 위에서 이루어진다.

달빅 가상 머신은 자바 바이트코드를 직접 실행하지 않는다. 대신, 자바 컴파일러로 생성된 표준 자바 클래스 파일(.class)을 달빅 전용 DEX 파일 형식으로 변환하는 과정이 필요하다. 이 변환 작업은 안드로이드 소프트웨어 개발 키트(SDK)에 포함된 'dx'라는 명령줄 도구가 담당한다.

dx 도구는 자바 가상 머신용으로 설계된 클래스 파일들을 레지스터 기반 아키텍처를 사용하는 달빅에 최적화된 단일 .dex 파일로 재패키징한다. 이 과정에서 여러 클래스 파일의 상수 풀을 하나로 통합하고, 중복된 데이터를 제거하며, 바이트코드 명령어 세트를 달빅의 레지스터 지향 명령어로 변환한다. 그 결과, 메모리 사용량과 파일 크기가 줄어들고, 모바일 장치에서의 실행 효율이 향상된다. 이 변환된 .dex 파일이 달빅 가상 머신에서 실행되는 최종 실행 코드가 된다.