Class Loader

Class Loader란

클래스 로더는 .class 파일(바이트 코드)를 읽고 JVM이 사용할 수 있도록
메모리 영역(Runtime Data Area)의 메소드 영역(Method Area)에 적재하는 역할을 한다.
모든 클래스를 한번에 로드하지 않고, 필요할 때 로드한다.

필요할 때?

클래스 로딩이 필요한 시기는 다음과 같다.

• 클래스의 인스턴스가 생성될 때
• 클래스의 정적 변수가 호출될 때(final로 선언된 상수 제외)
• 클래스의 정적 메서드가 호출될 때
  눈으로 직접 확인하고 싶다면 JVM을 실행할 때 -verbose:class 옵션을 추가하면 클래스 로딩을 디버깅할 수 있다.

클래스 로딩 과정

클래스를 로드하는 과정은 로딩, 링킹, 초기화 세 단계로 이루어진다.

1. 로딩
   • 다음 세 가지 Class Loader가 로딩 단계에 참여한다.
     
     Class Loader 이름(class 이름)
     Bootstrap Class Loader (BootClassLoader),
     Extension Class Loader (PlatformClassLoader),
     Application Class Loader (AppClassLoader)
   • .class 파일(바이트 코드)을 Runtime Data Area의 Method Area에 저장한다.
   • 저장되는 정보는 다음과 같다.
     • 해당 클래스 및 부모 클래스 정보
     • 변수, 메서드 정보
2. 링킹
   • 바이트 코드가 자바 언어의 명세와 JVM의 명세를 잘 따르는지 확인한다.
     • 블로그의 글을 참조하고 나름대로 각색하여 글을 작성하고 있지만 여기서 말하는 JVM의 명세가 무엇을 말하는지
       잘 모르겠다. 그래서 일단 그대로 작성하였다.
   • 클래스가 필요로 하는 메모리 영역을 할당하고 클래스의 메서드, 필드를 나타내는 데이터 구조를 준비한다.
   • 심볼릭 레퍼런스를 Method 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체한다.
3. 초기화
   • 클래스 변수들을 초기값으로 설정한다. 즉, static 변수를 초기화한다.

이제 각 단계별로 어떤 과정이 진행되는지 알아보자.

1-1. 로딩 - Class Loader

JVM의 Class Loader는 BootStrap / Extension / Application Class Loader 세 가지로 나뉜다.

Class Loader들은 JAVA 소스코드로 정의되어 있다. 일부 메서드는 native 키워드가 붙어있다.

native 키워드는 메서드에만 사용할 수 있으며 해당 메서드는 JNI(Java Native Interface 또는 Native Method Interface) 를 사용해서 구현되었음을 뜻한다.
JNI 인터페이스는 C / C++로 구현되어 있다.
각 Class Loader는 Runtime Data Area의 Method Area에 클래스를 로드한다는 동일한 역할을 수행하지만 로드하는 클래스의 종류가 다르다.
세 Class Loader 모두 BuiltinClassLoader라는 클래스를 상속 받는다.
JAVA 21 버전 기준으로 ClassLoaders라는 클래스 내부에 static class로 선언되어 있다.

Bootstrap Class Loader

Bootstrap Class Loader는 최상위 Class Loader이다. JAVA 8 버전 이전에는 jre, lib, rt.jar에 담긴 JDK 클래스 파일을 로드한다.
하지만 JAVA 9 버전 이후부터 JAVA의 파일 구조가 변경되며 Class Loader와 최소한의 자바 클래스(java.lang.Object, Class, ClassLoader)만 로드한다.

Extension Class Loader

Extension Class Loader는 Bootstrap Class Loader가 로드하지 않은 확장 클래스들을 로드한다.

Application Class Loader

Application Class Loader는 개발자가 작성한 클래스를 로드한다.

1-2. 로딩 - Class Loader의 작동 원칙 세 가지

JAVA의 Class Loader는 Delegation Principle(위임 원칙), Visibility Principle(가시 범위 원칙),
Uniqueness Principle(유일성 원칙) 세 가지 작동 원칙을 가진다.

Delegation Principle

위임 원칙은 로딩할 클래스를 찾을 때에는 위에서 설명한 세 가지 Class Loader의 하위 계층에서 상위 계층으로 로딩을 위임하는 원칙이다.
아래 그림을 참고하면서 설명을 보면 이해가 쉬울 것이다.

Internal.class라는 클래스 파일이 로드 되어야 하는 상황을 가정하면 다음과 같은 과정이 일어난다.(아래 과정의 번호는 위 사진의 번호와 무관하다)
1. 그러면 우선 Application Class Loader가 이 요청을 받아들이고 상위 Class Loader인 Extension Class Loader에게 이 요청을 위임한다.

2. 요청을 받은 Extension Class Loader는 상위 계층인 Bootstrap Class Loader에게 요청을 위임한다.

3. 최상위 Class Loader인 Bootstrap Class Loader는 요청을 받아들이고 자신이 담당하는 클래스 중 Internal.class가 존재하는지 확인한다.
4. 만약 존재한다면 반환한다.(끝)
5. 3번 결과가 존재하지 않는다면 하위 Class Loader인 Extension Class Loader에 요청을 전달한다.
6. Extension Class Loader는 자신이 담당하는 클래스들 중 Internal.class가 존재하는지 확인한다.
7. 만약 존재한다면 반환한다.(끝)
8. 6번 결과가 존재하지 않는다면 하위 Class Loader인 Application Class Loader에 요청을 전달한다.
9. 마찬가지로 Application Class Loader도 Internal.class 클래스가 존재하는지 확인한다.
10. 만약 존재한다면 반환한다.(끝)
11. 9번 결과가 존재하지 않는다면 ClassNotFoundException 예외를 던진다.

Visibility Principle

가시 범위 원칙은 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더가 로딩한 클래스를 볼 수 있고,
반대로 상위 클래스 로더는 하위 클래스 로더가 로딩한 클래스를 볼 수 없다는 원칙이다.

이 원칙을 둔 이유는 하위 클래스와 상위 클래스를 명확하게 구분하기 위해서이다.
이 원칙을 지킨다면 하위 클래스(예를 들어 개발자가 직접 생성한 클래스)를 로드할 때 상위 클래스(예를 들어 Object)를
볼 수 있기 때문에 정상적으로 로드할 수 있다. 반대로 상위 클래스가 하위 클래스를 볼 수 있다면 상위 클래스와 하위 클래스를
구분한 의미가 퇴색될 것이다.

Uniqueness Principle

유일성 원칙은 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더가 로딩한 클래스를 다시 로딩하지 않도록 함으로써
로딩된 클래스들이 유일하도록 보장하는 원칙이다. 유일성을 식별하는 기준은 클래스의 binary name이다.
binary name은 toString()을 호출할 때 가끔 보이는 java.lang.String 등과 같은 이름이다.

위임 원칙을 준수하면 상위 클래스 로더로 로딩 요청을 위임하기 때문에 유일성 원칙을 보장할 수 있다.

1-3. 로딩 - 동적 클래스 로딩

JVM은 클래스를 로딩할 때 처음부터 모든 클래스를 로딩하지 않는다.
실제로 클래스가 참조되는 시점에 JVM에 링크되고 런타임 시점에 로딩되는 동적 로딩 과정을 거친다.

동적 로딩은 로드 타임 동적 로딩(Load-time Dynamic Loading)과 런타임 동적 로딩(Run-time Dynamic Loading)으로 나뉜다.

1-3-1. 로딩 - 로드 타임 동적 로딩(Load-time Dynamic Loading)

public class HelloWorld { 
        public static void main(String[] args) { 
                System.out.println("안녕하세요!"); 
        } 
}

위 코드의 경우 클래스 로더는 다음과 같이 동작한다.
1. Bootstrap 클래스 로더는 Object.class를 로드한다.
2. 프로그램을 시작하기 위해 HelloWorld.class를 로드한다.
3. HelloWorld.class를 로드하는 과정에서 필요한 클래스인 java.lang.String 클래스와 java.lang.System을 로드한다.

이런 식으로 클래스를 로드하는 과정에서 필요한 클래스를 동적으로 로드하는 것을 로드 타임 동적 로딩이라고 한다.

1-3-2. 로딩 - 런타임 동적 로딩(Load-time Dynamic Loading)

public class RuntimeLoading { 
        public static void main(String[] args) { 
                try { 
                        Class cls = Class.forName(args[0]); 
                        Object obj = cls.newInstance(); 
                        Runnable r = (Runnable) obj; 
                        r.run(); 
                } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                }
        }
}

위의 RuntimeLoading 클래스 코드에서 Class.forName(className)메서드가 실행되면 className에 해당하는 클래스가 로드된다.
하지만 클래스 로더는 Class.forName(className)메서드가 실행되기 전까지 RuntimeLoading 클래스가 어떤 클래스를 참조하는지 알 수 없다.

따라서 클래스 로더는 RuntimeLoading 클래스를 로드할 때에는 어떤 클래스로 로드하지 않는다.
그리고 Class.forName(className)메서드가 호출되는 순간 비로소 args[0]에 해당하는 클래스를 로드한다.

이처럼 클래스가 로드되는 시점이 아니라 코드를 실행하다가 필요에 따라 참조하는 클래스를 로드하는 로딩 방식을 런타임 동적 로딩이라고 한다.

2. 링킹 - 심볼릭 레퍼런스(Symbolic Reference)

링킹 과정에서는 검증(.class 파일 형식이 유효한지 검사), 준비(메모리 할당 및 필드, 메서드, 인터페이스를 나타내는 데이터 구조 준비),
분석(심볼릭 레퍼런스를 실제 레퍼런스로 교체, Optional) 과정을 수행한다.
여담으로, 분석 과정이 Optional인 이유는 이 단계에서 일어날 수도 있지만 이후에 실제로 사용이 일어날 때 동적으로 교체될 수도 있기 때문이다.

돌아와서, 분석 단계에서 사용된 용어인 '심볼릭 레퍼런스'란 무엇일까?

심볼릭 레퍼런스는 우리가 개발을 하면서 사용한 class, field, method의 이름을 지칭한다.
실제 메모리를 참조하지 않고 추상적이라고 할 수 있는 단어나 기호를 가리킨다.
링킹 단계에서는 이러한 심볼릭 레퍼런스를 실제 레퍼런스, 즉 실제 메모리 주소로 변환하는 과정을 거친다.

3. 초기화

클래스 로딩 시점에 클래스의 정적 블록과 정적 멤버 변수가 초기화 된다.(단 inner class는 초기화 대상에서 제외된다.)

다음 코드를 실행해보면 어떤 순서대로 정적 요소가 초기화 되는지 알 수 있다. 초기화 순서는
1. 정적 블록
2. 정적 멤버변수
3. 생성자

순이다.

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        new Single();
    }
}

class Single {
    static {
        System.out.println("1. 정적 블록");
    }

    public static Temp temp = new Temp();

    public Single() {
        System.out.println("3. 생성자");
    }
}

class Temp {
    public Temp () {
        System.out.println("2. 정적 변수");
    }
}

내부 클래스의 로드

outer class의 로딩이 이루어져도 inner class의 로딩이 이루어지진 않는다.
inner class의 로딩이 이루어져도 outer class의 로딩이 이루어지진 않는다.

참조

느리더라도 꾸준하게 - JVM의 클래스 로더란?
으뜸별 - 클래스 로더
HomoEfficio - Java 클래스 로더 훑어보기
skyepodium - 클래스는 언제 로딩되고 초기화 되는가