기존의 고급 언어들로 작성된 응용 프로그램들은 인터넷이나 다른 플랫폼(Platform)에서 수행되는 것이 어렵다. 본 논문에서는 자바의 플랫폼 독립적인 특성을 C언어와 같은 고급 언어에 적용해 보고자 한다. 즉 C 언어로 작성된 원시 코드(Source code)를 컴파일러를 이용해서 자바 가상 기계가 인식할 수 있는 목적 코드인 바이트 코드(Bytecode)로 변환하여 자바 가상 기계(Java Virtual Machine)가 탑재되어 있는 어떠한 플랫폼에서도 수행할 수 있도록 하는 것이다. 따라서, 본 논문에서는 C 언어로 작성된 응용 프로그램을 이기종 플랫폼 상에서 실행 가능하도록 바이트 코드를 생성하는 컴파일러를 설계하고자 한다.
스택 기반 구조를 갖는 자바가상기계(JVM)에서는 전체 동작의 상당 부분이 데이터 이동에 소요되는 것으로 알려지고 있다. 따라서 효율적인 JVM의 개발을 위해서는 JVM 내부에서 데이터가 어떻게 이동되는지를 분석할 필요가 있다. 본 논문에서는 오퍼랜드 스택, 지역변수배열, 힙, 그리고 상수 풀 사이에서 데이터의 이동에 대해 바이트코드 수준에서 분석 조사하였다.
자바는 객체지향언어이고, 한번 자바로 작성된 프로그램은 자바가상기계가 있는 모든 곳에서 수정없이 실행될 수 있기 때문에 소프트웨어의 개발과 유지보수에 많은 장점을 가진 언어이다. 이러한 특징으로 인하여 현재 개발되는 제품들이 자바로 개발되는 경우가 많다. 그러나 이는 결국 주 운영체제에서 사용되는 실행화일 이외에 자바의 실행화일만을 위한 자바가상기계가 공존해야 하므로 시스템에 있어서는 이중부담을 안을 수 밖에 없고, 더욱이 아직 대다수의 소프트웨어 개발자들은 주로 C언어나 C++언어를 사용하고 있으며, 최근에는 C#이라는 언어를 사용하고 있다. 결국 자바가 플랫폼에 독립적이라는 장점은 가지고 있지만, 다수의 개발자가 마이크로소프트의 윈도우 운영 체제를 사용하고 있다는 점을 감안하면, 커다란 장점만은 될 수 없다. 따라서, 본 논문에서는 자바의 클래스화일을 자바가상기계가 없이도, 마이크로소프트 윈도우의 .NET Framework에서 실행 될 수 있는 실행 화일로의 변환을 할 수 있는 중간언어인 MSIL(Microsoft Intermediate Language)로 바꿀 수 있는 번역기를 설계 및 구현 하였다. 이를 위한 방법으로는 자바 바이트코드와 MSIL의 어셈블리 형태에서의 명령어 매칭과정을 명령어들의 매핑테이블을 이용하여 변환하였고, MSIL에서 자바 바이트코드의 함수와 같은 기능을 하는 메소드의 변환을 위하여 마크로 변환 기법을 사용하였다.
자바는 자바 가상기계를 사용해서 플랫폼에 독립적으로 사용할 수 있는 장점을 가진다. 그러나 자바가상머신은 인터프리터 방식을 이용하기 때문에 다른 컴파일언어에 비해서 수행속도가 느리다는 단점을 가진다. 이런 단점을 극복하기 위해서 많은 최적화나 JIT컴파일러 그리고 네이티브 코드로의 변환과 같은 연구들이 많이 연구되었다. 이전의 연구들은 한계성을 가지고 있어서 자바에서 수행시간의 문제는 지금도 문제로 남아있다. 이전의 문제점 해결의 극복의 대안으로 바이트코드를 최적화하는 프레임워크인 CTOC를 설명하고, CTOC에서 사용하는 중간코드로 사용하는 3-주소형식의 CTOC-T를 바이트코드로 변환하고, CTOC-T에서 바이트코드형식으로 변환할 때 생기는 과다한 load/store의 문제점을 해결한다.
EVM(Embedded Virtual Machine)은 모바일 디바이스, 셋톱박스, 디지털 TV에 탑재되어 하드웨어에 독립적으로 수행되는 스택기반 가상기계이며, SIL(Standard Intermediate Language)은 EVM의 중간언어로 객체지향 언어와 순차적인 언어를 위한 연산 코드 집합을 갖고 있다. 기존에는 C 프로그램을 실행하기위해 플랫폼에 의존적인 목적코드로 변환하여 실행하였다. 이런 문제를 해결하기 위해 본 연구팀은 EVM을 개발하면서 목적기계의 코드가 아닌 플랫폼에 독립적인 스택기반의 SIL 코드를 생성하는 ANSI C 컴파일러를 개발하였다. 본 논문에서는 ANSI C 컴파일러가 생성한 SIL 코드를 3-주소 코드 형태의 재 표현된 ANSI C 프로그램으로 변환하는 SIL-to-C 역컴파일러(Decompiler) 시스템을 설계하고 구현하였다. 이와 같은 작업은 ANSI C 컴파일러가 생성한 SIL 코드가 올바른지를 확인할 수 있는 검증 방법을 제시하며, 소프트웨어 오작동 및 버전 호환이 이루어지지 않을 때 소프트웨어의 구조를 변경하고 수정하여 성능을 개선하는 작업을 용이하게 한다.
자바 언어의 중요한 특징 중의 하나는 어떤 기계에서든지 실행될 수 있다는 점이다. 이러한 플랫폼에 대한 독립성은 자바 프로그램이 바이트 코드 형태로 배포되기 때문에 가능한 일이다. 바이트 코드는 특정 기계에 종속되지 않고 자바 가상 머신(Java Virtual Machine:JVM)를 지원하는 곳이면 어디에서든지 실행 가능하다. 그런데 바이트 코드로 번역된 코드에는 자바 소스 코드의 정보가 그대로 포함되어 있는데, 이로 인해서 바이트 코드에서 자바 소스코드로의 역컴파일(Decompilation)이 쉽게 이루어진다는 취약점이 있다. 본 논문에서는 자바 바이트 코드의 난독화 기법을 살펴보고, Code Encryption Algorithm을 이용해서 역컴파일 하기 어려운 형태로 만드는 기술인 코드 난독처리(Code Obfuscation) 기법을 제안하였다.
본 논문은 하드웨어에 독립적이고 패킷 처리 프로그래밍 개발의 효율성을 높이기 위하여 eFlowC 언어와 eFlowC 컴파일러를 제안한다. eFlowC 언어는 C 언어 기반의 고급언어이다. 그리고 기존의 C 문법에 패킷 처리 관련 기능을 위한 새로운 라이브러리를 추가하였다. eFlowC 컴파일러는 eFlowC 언어로 작성된 프로그램을 입력으로 받는다. 그리고 결과물로 가상 기계 목적 코드를 생성한다. 가상 기계 목적 코드는 언어 번역기의 입력 파일로 언어 번역기를 통하여 다양한 하드웨어 기계어로 번역이 가능하다.
자바는 컴파일러에 의해 아키텍처 독립적인 바이트코드로 구성된 바이너리 형태의 클래스 파일을 생성하면 JVM에 의해 하드웨어와 운영체제에 상관없이 실행이 가능한 플랫폼 독립적인 언어로 현재 가장 널리 사용되는 범용 프로그램 언어중 하나이다. EVM(Embedded Virtual Machine)은 Microsoft사의 .NET 언어와 SUN사의 Java 언어등을 모두 수용할 수 있는 임베디드 시스템을 위한 가상기계이며, SIL(Standard Intermediate Language)은 EVM에서 실행되는 중간언어로 다양한 프로그래밍 언어를 수용하기 위해서 객체지향 언어와 순차적 언어를 모두 수용하기 위한 연산 코드 집합을 갖고 있다. 본 논문에서는 자바 프로그램을 EVM에서 실행 될 수 있도록 자바 프로그램을 컴파일하여 생성된 클래스 파일로부터 Oolong 코트를 추출하고 추출된 Oolong 코드를 EVM의 SIL 코드로 변환하는 Oolong-to-SIL 번역기 시스템을 구현하였다. 번역기 시스템을 정형화하기 위해 Oolong 코드의 명령어 등을 문법으로 작성하였으며, PGS를 통해 생성된 어휘 정보를 가지고 스캐너를 구성하였고, 파싱테이블을 가지고 파서를 설계하였다 파서의 출력으로 AST가 생성되면 번역기는 AST를 탐색하면서 의미적으로 동등한 SIL 코드를 생성하도록 번역기 시스템을 컴파일러 기법을 이용하여 모듈별로 구성하였다. 이와 같이 번역기를 구성함으로써 목적기계의 중간언어 형태에 따라 중간언어 번역기를 자동으로 구성할 수 있어 재목적성(Retargetability)을 높일 수 있다.
자바는 이식성과 보안의 장점으로 인하여 내장형 시스템에서 널리 사용되고 있으나 인터프리터를 통한 바이트코드의 수행으로 인하여 성능이 저하되는 문제를 포함하고 있다. 이를 해결하기 위한 한 방법으로 수행시간 전에 바이트코드를 기계어 코드로 미리 번역하여 수행시간에는 기계어 코드가 수행되도록 하는 Ahead-of-Time 컴파일러 (AOTC)가 사용되고 있다. 특히 바이트코드를 C코드로 변환한 다음 기존의 컴파일러를 이용하여 기계어 코드를 생성하는 방식을 많이 택하고 있다. 본 논문에서는 AOTC에서 효율적인 예외처리 (exception handling) 기법을 제안한다. 기존의 AOTC 에서는 예외를 발생하는 메쏘드와 예외를 처리하는 메쏘드가 다른 경우 setjmp/longjmp를 이용하여 예외처리를 수행하고 있으나 우리는 메쏘드 호출 후의 예외 검사를 통해 예외처리를 수행한다. 우리는 제안된 예외처리 방법은 Sun의 CDC 가상 머신을 위해 개발된 AOTC 에 구현되었으며 SPECjvm98 벤치마크에서의 실험을 통해 setjmp/longjmp 방식에 비해 $1.3\%$에서 $154\%$까지의 성능향상이 가능함이 확인되었다.
ACK는 가상 스택 기계에 기반을 둔 EM 중간 코드로부터 레지스터 구조에 기반을 둔 SPARC 기계에 대한 목적 코드를 생성하기 위해서는 코드 확장기(code expander)를 이용하고 있다. 따라서 EM 코드로부터 SPARC 목적 코드를 생성하기 위해 스택 지향 구조로부터 레지스터 지향 구조로 변환하여야 한다. 코드 확장기를 이용한 SPARC 코드 생성 기법은 각 EM 명령어에 대해 SPARC 코드로 확장하는 루틴들로 구성되며 코드 생성기에 비해 코드의 질을 개선하기 위해 푸쉬-팝 최적화 동작을 수행한다. 하지만 코드 확장시에 별도의 자원과 관리를 요구하는 혼합 스택(hybrid stack)을 이용하고 있으며 전단부의 정보 손실로 레지스터 윈도우를 이용한 효율적인 매개변수 전달을 고려하지 않는다. 본 논문에서는 ACK의 전체적인 구조의 변경 없이 목적 기계의 스택과 매개변수 전달을 고려하나 효율적인 SPARC 코드를 생성하기 위해 EM 트리를 이용한 SPARC 코드 확장기를 설계하고 구현하였다. 이를 위해, 순차적인 EM 코드를 입력으로 받아 스택 속성을 반영한 트리로 구성하며 혼합 스택을 제거하기 위해 지역 변수 정보를 별도로 관리하였다. EM 트리의 순회 및 확장 과정에서 목적 코드를 생성할 수 있는 루틴을 통하여 목적 코드를 출력하며 추출된 정보와 노드의 성격에 출력 시기와 목적 코드를 결정한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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