[Java] Class의 Alignment

#Java

C/C++, Rust 등 저수준제어를 표방하는 언어에서는 Alignment라는 것이 제법 중요한 주제다.
구조체의 필드들이 어떻게 배치되는지에 따라서 실제 성능이 달라지기도 하고, ABI에 영향을 미치기도 하기 때문이다.

Java에서는 이런걸 고려할 일이 많진 않지만, 최적화에 관심이 많다면 알아둬서 나쁠 것은 없다.
JVM도 최적화를 위해 Alignment를 내부적으로 조정하기 때문이다.

기본 Alignment 동작

자, 이렇게 클래스가 하나 있다고 해보자.

이건 실제 메모리에 올라갈 때 어떻게 올라갈까?

일단 String은 class니까 8바이트, int는 4바이트, bool은 1바이트다.
그러면 저걸 그대로 붙여서 13바이트로 올릴까?

아니다. 설정에 따라 달라질 수는 있지만, 실제로는 3바이트 정도가 더 붙는다.

내부적으로 JVM은 클래스의 값들을 8바이트 단위로 채워서 관리하기 때문이다.

openjdk의 레이아웃 모듈을 쓰면 실제로 생성되는 클래스 정보를 까볼 수도 있다.

그럼 이렇게 나온다. 바이트 3칸을 넣는다는 것은 확실히 볼 수 있다. 패딩 갭이라고 쓰여있는게 패딩이다.
그리고 순서를 제멋대로 바꿀 수 있다. 실제 구조체 필드와 다르게 name 필드가 맨 뒤로 밀려난 것을 볼 수 있다.

이건 CPU 수준의 캐시 최적화와 밀접한 연관이 있다.

현대의 64비트 CPU들은 값을 다룰때 8바이트 단위로 다루는 것이 가장 최적의 성능을 낸다.
만약 패딩을 채우지 않고 어정쩡하게 잘랐다면, 한번에 읽어서 처리할만한 것도 분리된채로 별도 load를 해야할 수도 있기 때문이다.

그리고 필드를 제멋대로 뒤섞는 것도 패딩 크기가 컴팩트하게 잘 들어가는지를 고려해서 넣는다.

그래서 이렇게 못생긴 패딩 구조의 클래스를 정의해도

적당히 딱딱 들어맞게 맞춰준다.

jvm의 기본 패딩 크기는 8이고, 굳이 바꿀 이유도 잘 없지만, 바꾸는 것은 가능하다.
코드 수준에서는 제어할 수 없고, 실행할때 ObjectAlignmentInBytes라는 플래그를 주면 된다.

-XX:ObjectAlignmentInBytes=16

그리고 이 클래스를 넣어서 조사해보면

이번에는 패딩을 15바이트나 넣는 기괴한 짓을 했다.
헤더 바이트 12 + 데이터 5바이트 하니까 16 + 1바이트가 남아서 채워버린 것이다.

Alignment를 비활성화하는 권장되는 방법은 없다.

정 필요하다면 byte 배열에 원하는 순서대로 값을 억지로 구겨넣거나 해야 한다.

그럼에도 불구하고, Alignment가 자바스럽게 되지 않아야하는 사용사례는 존재한다.
대표적인 경우가 C/C++와의 상호 운용성, 라이브러리를 갖다 쓸 때다.

당연히 C는 본인만의 Alignment 규칙을 갖고 있고, 이건 자바와 호환되지 않을 확률이 매우 높다.
그래서 FFI용 Struct를 사용할 때는 C의 Alignment Rule를 따르는 식으로 동작하게 된다.