Java

[JAVA] ClassLoader란, 원칙, 계층구조, 로딩단계

Java ClassLoader에 대한 설명으로 아래의 내용들에 대해 다루어 보도록 하겠습니다.

ClassLoader 정의
ClassLoader 원칙 (특징)
ClassLoader 계층 구조
ClassLoader 로딩 단계

ClassLoader 정의

ClassLoader는 JVM의 구성요소 중 하나로,

'.class' 바이트 코드를 읽어 들여 class 객체를 생성하는 역할을 담당한다.

즉, 클래스가 요청될 때 class파일로부터 바이트 코드를 읽어 메모리로 로딩하는 역할

자바 클래스들은 한 번에 모든 클래스가 메모리에 올라가지 않는다.

각 클래스들은 필요할 때 애플리케이션에 올라가게 되며, 이 작업을 클래스로더가 해주게 된다.

예를 들어 간단한 Class의 main문을 실행할때, load 되는 class들을 확인해보자

java -verbose:class 옵션을 통해 확인 가능하다

public class HelloApp {
	public static void main(String argv[]) {
		System.out.println("Aloha! Hello and Bye");
	}
}

prmpt>java -verbose:class HelloApp

[Opened C:\Program Files\Java\jre1.5.0\lib\rt.jar]
[Opened C:\Program Files\Java\jre1.5.0\lib\jsse.jar]
[Opened C:\Program Files\Java\jre1.5.0\lib\jce.jar]
[Opened C:\Program Files\Java\jre1.5.0\lib\charsets.jar]
[Loaded java.lang.Object from shared objects file]
[Loaded java.io.Serializable from shared objects file]
[Loaded java.lang.Comparable from shared objects file]
[Loaded java.lang.CharSequence from shared objects file]
[Loaded java.lang.String from shared objects file]
[Loaded java.lang.reflect.GenericDeclaration from shared objects file]
[Loaded java.lang.reflect.Type from shared objects file]
[Loaded java.lang.reflect.AnnotatedElement from shared objects file]
[Loaded java.lang.Class from shared objects file]
[Loaded java.lang.Cloneable from shared objects file]
[Loaded java.lang.ClassLoader from shared objects file]
[Loaded java.lang.System from shared objects file]
[Loaded java.lang.Throwable from shared objects file]
.
.
.
[Loaded java.security.BasicPermissionCollection from shared objects file]
[Loaded java.security.Principal from shared objects file]
[Loaded java.security.cert.Certificate from shared objects file]
[Loaded HelloApp from file:/C:/classes/]
Aloha! Hello and Bye
[Loaded java.lang.Shutdown from shared objects file]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from shared objects file]

ClassLoader의 특징 및 원칙

ClassLoader에 대해 찾아보면 3가지 원칙에 대해서 나온다.

Delegation
- 어떠한 클래스 파일을 로딩할 때, 해당 로딩 요청이 부모 클래스 로더들로 거슬러 올라가 BootstrapClassLoader(최상위 ClassLoader)에 다다른 후 그 밑으로 로딩 요청을 수행

Delegation Principle (출처 : https://homoefficio.github.io/2018/10/13/Java-%ED%81%B4%EB%9E%98%EC%8A%A4%EB%A1%9C%EB%8D%94-%ED%9B%91%EC%96%B4%EB%B3%B4%EA%B8%B0/)

Visibility
- 상위 Class Loader를 먼저 참조하는것에 이어서, Class Loader는 일종의 scope rule을 제공하는데,
  Child Class Loader는 Parent Class Loader의 Class를 Delegation load request를 이용하여 찾을 수 있지만,
  그 반대로 Parent가 Child가 Loading한 Class를 사용할 수는 없다.

Uniqueness
- 하위 클래스로더는 상위 클래스로더가 로딩한 클래스를 다시 로딩하지 않게 해서
  로딩된 클래스의 유일성을 보장하는 것이다.
  유일성을 식별하는 기준은 클래스의 binary name

해당 원칙 이외의 특징

Unload Impossibility
- 클래스 로더에 의해 로딩된 클래스들은 JVM 상에서 삭제할 수 없다
  Unloading 기능을 우회적으로 구현하는 방법은 Class를 로드한 Class Loader 자체를 삭제하고,
  새로운 Class Loader를 만들어서 다시 Class를 로드하면, reload 되는 것처럼 작동하는 것이 된다.

Hierarchical
- 계층적 구조를 가지도록 생성(부모-자식의 관계)
  부모 클래스 로더에서 자식 클래스 로더를 가지는 형태

ClassLoader 계층 구조

Java ClassLoader의 계층 구조는 Java8 버전과 Java9 버전으로 나뉜다.

각각의 버전별 계층 구조를 설명해 보도록 하겠다

Java8

Bootstrap Class Loader (Primordial Class Loader)

자바의 기본 클래스로더 중 최상위 클래스로더로서 parent ClassLoader가 존재하지 않음
${JAVA_HOME}/jre/lib/rt.jar에 담긴 JDK 클래스 파일을 로딩(다만, 옵션 -Xbootclasspath 옵션으로 path 수정 가능)
Native C로 구현돼 있어, String.class.getClassLoader()는 그냥 null을 반환 ( 자바 코드에 의해서 instance화 불가)

Extension Class Loader

BootstrapClassLoader를 parent로 가지고 있음
${JAVA_HOME}/jre/lib/ext 폴더나 java.ext.dirs 환경 변수로 지정된 폴더에 있는 클래스 파일을 로딩
자바로 구현되어 있으며, sun.misc.Launcher$ExtClassLoader로 구현되어있고, URLClassLoader를 상속
사용자의 classpath를 수정하지 않고 확장으로 쉽게 갈 수 있는 기능을 제공

System Class Loader (Application Class Loader)

자바의 -classpath(또는 -cp) 옵션이나, jar 파일 안에 있는 Manifest 파일의 Class-Path 속성 값으로 지정된 폴더에 있는 클래스 로딩
개발자가 애플리케이션 구동을 위해 직접 작성한 대부분의 클래스는 여기서 로딩됨
ClassLoader.getSystemClassLoader()를 통해서 얻을 수 있음

Java9

Java9에서는 모듈 시스템이 도입되어 그에 맞춰 ClassLoader의 범위, 구현 내용이 바뀌었다

Hierarchy는 그대로고, 로드하는 디렉토리의 위치, ClassLoader의 Name정도가 변경되었다

java9dir(출처:https://hackernoon.com/understanding-java-9-modules-7f573vfe)

Bootstrap Class Loader

모듈화 시스템 도입으로 ${JAVA_HOME}/jre/lib/rt.jar가 없어짐에 따라 로딩하는 클래스의 범위가 전반적으로 축소
- 기존에 parent를 BootstrapClassLoader로 가지고 있던 ClassLoader의 경우 parent에 대한 수정이 필요

Platform Class Loader

${JAVA_HOME}/jre/lib/ext 폴더나 java.ext.dirs 환경 변수를 지원하지 않음
Java SE의 모든 클래스와 JDK-specific run-time 클래스들을 여기서 로딩
URLClassLoader를 상속받지 않은 ClassLoaders 클래스의 내부 static 클래스로 구현됨

System Class Loader

classpath, modulepath에 있는 클래스 로딩

ClassLoader 로딩 단계

ClassLoader가 class 파일을 로드하는 단계에 대해서 정리해보도록 하겠다

우선, 크게 3가지 단계로 나눈다

Loading

.class 파일을 읽어 내용에 따라 적절한 바이너리 데이터를 생성하고, 메서드 영역에 저장
- 메서드 영역: 추후에 jvm의 구성 중, 데이터 영역에서 다룰 내용으로 자세한 설명은 생략
  Type정보(class, interface, enum) Method, 변수, FQCN이 저장되는 영역
앞에서 설명한, ClassLoader의 계층구조 및 Delegation원칙에 따라서 Root ClassLoader에서부터 load가 필요한 class를 찾는다
로딩이 끝나면, Type 정보로 저장된 Class Type Object를 생성하여 Heap 영역에 저장

Linking

로딩 단계로부터 생성된 바이너리 데이터를 JVM의 런타임 데이터로 합치는 과정

이 단계는 3가지 단계로 나뉜다

Verifying
- .class 파일의 정확성을 보장하기 위한 단계
- 파일이 적절한 포맷인지, 유효한 컴파일러에 의해 생성되었는지를 확인
- 검증이 실패한 경우 런타임 에러 (java.lang.VerifyError) 발생
Preparing
- 클래스 변수(static 변수)와 기본값에 필요한 메모리를 준비하는 과정

Resolving
- 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메모리 영역에 존재하는 실제 레퍼런스로 교체
- optional 한 단계 ( 설정에 따라서 동작 유무가 정해짐)

Initializing

윗 단계인 Linking의 Preparing 단계에서 확보한 메모리 영역에 static 값을 할당
클래스의 static 값들을 할당

실제 위의 3가지 단계가 실행되는 java의 ClassLoader API

loadClass() : 지정된 이름을 가지는 클래스를 로드
- 해당 메서드 내부에서 findLoadedClass() 호출 - 이미 로드된 내역이 있는지 확인
findClass() : loadClass시 load 된 class가 없을 시, load 하고자 하는 class의 이름으로 클래스 파일 탐색
defineClass() : 위의 findClass메서드에서 원하는 class파일을 찾은 경우 .class 파일로부터 바이트 배열을 class객체로 변환