[Java] CalssLoader

buckshot·2025년 6월 4일
JavaclassLoader

JAVA

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CalssLoader? 그게 뭐 하는 놈인디…

CalssLoader의 개념

자바에서 사용되는 CalssLoader는 클래스 파일(.class) 파일을 읽어 JVM의 Method Area에 적재하는 역활을 한다.
즉, 우리가 .java 파일을 작성하고 컴파일한 .class 파일이 실제로 JVM 메모리에 올라가서 사용될 수 있도록 하는 입구 역할을 한다.

🕵What do the .java & .class files mean??

CalssLoader 개념을 이야기 할 떄 .java파일과 .class파일이 나온다. 그런데 해당 파일들은 무엇인지 모를 수 있다. 그렇기 때문에 간단하게 확인하고 넘어가면 좋을 것이다.

만약 자바 개발을 해봤다면 .java 파일과 .class파일은 한 번쯤 보았을 것이다. 여기서 자바 파일은 자바 언어를 사용하여 소스코드를 작성할 때 소스코드가 작성된 파일을 의미한다.

그 다음으로 클래스 파일은 작성된 자바 파일을 컴파일하게 되면 생성되는 파일이 클래스 파일 또는 자바 바이트 코드라고 부른다. 이 파일은 JVM만 설치되어 있으면, 언제 어디에서 JAVA언어로 작성된 파일로 실행할 수 있다.

🤔 그러면 JVM에 어떤 과정으로 적재 할까?

해당 동작 과정은 자바를 이해하는데 있어 아주 핵심적인 개념이다. 아래의 단계는 JVM이 클래스를 로드 하는 과정이다.

JAVA는 동적 로딩(Dynamic Loading)을 한다는 특징이 있다. 이는 동적 로딩을 담당하는 부분이 JVM에서 클래스 로더이다.
즉, 클래스 로더는 JAVA로 작성된 프로그램의 런타임 중 JVM의 Method Area영역에 동적으로 자바 클래스를 적재하는 역활을 하는 것이다.

적재하는 과정에서 크게 Loading, Linking, Initialization을 거치게 된다.

1. Loading (클래스 로딩)

클래스 파일을 찾아서 메모리로 불러온다. 불러들인 클래스 파일은 적절한 바이트 코드로 만들어 Method Area에 저장을 하게 된다.

여기서 메모리로 불러오는 역활은 Class Loader가 수행하게 된다. 이 Class Loader는 부모-자식 형태의 계층 구조로 설계되어 있으며, 로딩 과정에서 “부모 먼저 검색” 원칙을 따릅니다. 이를 Parent Delegation Model이라 부릅니다.

// before java version 8.
[Bootstrap ClassLoader]
        ↓
[Extension ClassLoader]
        ↓
[Application (System) ClassLoader]

// after java version 9.
[Bootstrap ClassLoader]
        ↓
[Platform ClassLoader]   ← Java 9 신설!
        ↓
[System (Application) ClassLoader]

자바 9 버전 이후로 부터모듈 시스템(Jigsaw)이 도입 되면서 Platform ClassLoader와 System ClassLoader로 구조가 바뀌었다.

Class Loader에 대한 자세한 정보는 뒤에서 알아보자

2. Linking (링킹)

Linking에서 3단계를 과정을 거치게 된다. 각 단계는 Verification, Preparation, Resolution으로 정의되어 있다.

  • Verification
    JVM이 읽어온 클래스 파일이 유효한 바이트 코드인지 검증한다.

  • Preparation
    클래스에 선언된 static 변수에 기본값을 할당한다.

  • Resolution
    다른 클래스나 메서드 필드 등에 대한 심볼릭 참조에서 실제 참조로 변경한다.

3. Initialization (초기화)

Initialization 단계에서 클래스의 static초기화 블럭과 static 변수에 실제 코드에서 정의된 값들이 할당하게 된다.
즉, static {...}블럭과 static 변수 = 값같은 코드가 실행되는 시점이다.

이 과정을 거친 후, 클래스는 JVM의 Method Area에 완전히 준비된 상태로 존재하게 되며, 해당 클래스를 사용한 객체 생성이나 메서드 호출이 가능해진다.

최종적으로 자바 클래스는 JVM에서 Loading -> Linking -> Initialization 과정을 통해서 메모리에 적재된다.

JVM은 프로그램이 실행되는 도중에도 필요한 클래스를 동적으로 로드라고 실행할 수 있다.

이러한 동적 로딩 구조는 자바의 유연성과 확장성을 높이는 핵심적인 설계이자, JVM이 메모리와 클래스 관리를 효율적으로 수행하는 기반이 된다.

Class Loader

일단 자바 버전울 기준으로 어떻게 변경되었는지 확인을 하자

자바 8 이전의 Class Loader

  1. Bootstrap ClassLoader

    • 가장 최상위 로더
    • JVM에 내장되어 있어 자바로 구현되지 않고 C/C++로 작성됨
    • rt.jar 등 Java 핵심 클래스(예: java.lang., java.util.)를 로드
    • null 값으로 나타남 (ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent() → null)

  2. Extension ClassLoader (≒ Platform)

    • JAVA_HOME/lib/ext 디렉토리에 있는 JAR 파일들을 로드
    • 확장 기능이나 보조적인 라이브러리를 여기에 넣어 사용함
    • 사용자 커스터마이징 확장을 위한 용도로 제공됨

  3. Application (System) ClassLoader

    • 우리가 만든 클래스(.class), 외부 라이브러리(JAR) 등을 classpath로부터 로드
    • 가장 일반적으로 사용되는 클래스 로더

자바 9 이후의 Class Loader

  1. Bootstrap ClassLoader

    • 동일하게 Java 핵심 클래스 로드
    • java.base 모듈의 클래스들이 여기에서 로드됨

  2. Platform ClassLoader (💡 New in Java 9)

    • 기존 Extension ClassLoader 대체
    • java.sql, java.xml, java.logging 등 JDK의 일부 표준 플랫폼 API 모듈들을 로드
    • 사용자 애플리케이션 코드와는 별개의 클래스 로딩 책임을 가짐

  3. System (Application) ClassLoader

    • 사용자 코드와 라이브러리들을 로딩 (classpath에 있는 클래스)
    • Java 8과 동일한 기능이지만, 상위가 Platform ClassLoader로 변경됨

버전 8 전과 버전 9 이후 상위에 있는 Bootstrap Class Lodaer은 같은 Bootstrap Class Loader인가요? 🤔🤔

애석하게도 완벽하게 같다고 말할 수 없다.

그러면 어떤 부분에서 차이점을 보이는 것일까?

Java 8 이전과 Java 9 이후의 Bootstrap ClassLoader는 기본적인 역할과 개념은 동일합니다.
그러나 Java 9부터 도입된 모듈 시스템 (JPMS) 때문에 동작하는 방식이나 로딩하는 대상이 약간 달라졌습니다.

최상위 클래스 로더로서 다음과 같은 동일한 작업을 수행한다.

역할설명
핵심 API 클래스 로드java.lang, java.util 등 가장 기본이 되는 클래스 로딩
JVM 내장C/C++로 구현되어 있고, 자바 코드에서 직접 다룰 수 없음
부모 위임 구조의 최상단모든 클래스 로더의 부모에 해당 (parent == null)

✅ Java 8 이전의 특징

Java 8 이전의 Bootstrap Class Loader는 JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar 경로에 위치한 rt.jar 파일 내의 클래스를 로드합니다.
대표적으로 java.lang.String, java.util.HashMap 등 JDK의 핵심 클래스들이 이에 해당됩니다.

✅ Java 9 이후의 변화

Java 9부터는 모듈 시스템(JPMS: Java Platform Module System)이 도입되면서 클래스 로딩 방식에 큰 변화가 생겼습니다.

기존에는 rt.jar 파일에 포함된 모든 핵심 클래스를 Bootstrap ClassLoader가 로딩했지만, Java 9부터는 rt.jar 파일이 더 이상 존재하지 않으며, 대신 JDK 내부가 모듈 단위로 구성되어 lib/modules에 위치한 jimage 파일 안에서 모듈별로 클래스들을 관리하고 로딩하게 되었습니다.

Class Loader 동작 방식

자바에서 클래스는 프로그램이 실행될 때 필요한 시점에서 동적으로 JVM 메모리에 로드된다고 했가. 그리고 클래스 로딩은 Parent Delegation Model이라는 방식을 따른다고 했다.

😭 Parent Delegation Model은 또 뭐야…ㅠㅠ

클래스 로더가 클래스를 로드할 때 자신보다 상위 클래스 로더에거 먼저 요청을 한다.
상위가 해당 클래스를 모를 때 자신이 직접 로드를 하게 된다.

해당 과정을 거치게 되면 보안성이 높아지고, 핵심 JAVA API가 오염되지 않도록 보호할 수 있다.

ClassLoader cl = MyClass.class.getClassLoader();
System.out.println(cl); // AppClassLoader
System.out.println(cl.getParent()); // PlatformClassLoader
System.out.println(cl.getParent().getParent()); // null (Bootstrap은 네이티브로 구현되어 있음)

클래스 로딩의 예외 상황

Parent Delegation Model은 일반적으로 보안상 유리하지만, 몇몇 경우에는 이 원칙이 지켜지지 않는다.

대표적으로 두 상황이 있다.

  • Web Application 서버
    여러 웹 어플리케이션이 동시에 실행될 수 있도록, 각 앱마다 별도의 클래스 로더를 사용하며, 일부 클래스를 직접 로딩하기도 한다.

  • Custom ClassLoader 사용 시
    특정 라이브러리를 격리하거나 동적으로 코드를 로딩할 필요가 있는 경우, Class Loader를 직접 구현해서 로딩 방식을 바꾸기도 한다.

Custom Class Loader

자바의 Class Loader를 상속받아 사용자 정의 방식으로 클래스를 로딩할 수 있도록 만든 클래스이다.
자바의 클래스 로딩 방식은 보안성과 안정성은 뛰어나지만, 제한적인 유연성 때문에 다음과 같은 경우에 직접 Class Loader를 정의해야 한다.

  • 플러그인 시스템
    동적으로 플로그인 클래스를 로드 및 언로드하고, 서로 다은 클래스 로더에서 독립적으로 실행되도록 구성

  • 클래스 버전 격리
    서로 다른 버전의 라이브러리를 동시에 사용해야 하는 경우

  • 암호화된 클래스 파일 로딩
    클래스 파일을 암호화해서 배포한 후 로딩 시 복호화하여 실행

  • 테스트 및 리플렉션 도구
    동적으로 생성된 바이트 코드를 로드하거나 런타임에 수정한 클래스를 주입

기본적으로 커스텀 클래스 로더를 작성할 때 Class Loader클래스를 상속받아 findClass(Strinf name) 메서드를 오버라이딩 해야 한다. 대부분 defineClass메서드를 사용하여 바이트 배열을 객체로 변환한다.

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 클래스 이름을 기반으로 .class 파일을 읽어 byte[]로 변환
            String path = "C:/classes/" + name.replace('.', '/') + ".class";
            byte[] classData = Files.readAllBytes(Paths.get(path));
            // byte[]를 Class로 변환
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name, e);
        }
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader loader = new MyClassLoader();
        Class<?> clazz = loader.loadClass("com.example.Hello");
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        Method method = clazz.getMethod("sayHello");
        method.invoke(obj); // Hello 출력
    }
}

Parent Delegation Model

@Override
public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    if (name.startsWith("com.plugin")) {
        return findClass(name); // 직접 로딩
    }
    return super.loadClass(name, resolve); // 부모에게 위임
}
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