[JAVA]클래스 로더(Class Loader)란?
클래스 로더(Class Loader)
자바는 컴파일 타임이 아닌 런타임(Byte Code를 실행하는 시점)에 클래스를 로드하고 링크하는 특징을 가지고 있습니다. 이를 동적 로드라 합니다. 이러한 동적 로드를 담당하는 것이 JVM의 구성 요소 중 하나인 클래스 로더(Class Loader) 입니다.
클래스 로더(Class Loader)는 JVM의 Runtime Data Area의 메소드 영역(=Method Area, Static Area, Class Area)에 동적으로 클래스를 로드하는 역할을 합니다. 이러한 클래스 로더는 로딩, 링크, 초기화 단계로 나뉘어져 있습니다.
클래스 로더의 3단계
로딩(Loading)
- 자바 바이트 코드(.class)를 메소드 영역에 저장합니다.
- 각 자바 바이트 코드(.class)는 JVM에 의해 메소드 영역에 다음과 같은 정보들을 저장합니다.
- 로드된 클래스를 비롯한 부모 클래스의 정보
- 클래스 파일과 Class, Interface, Enum의 관련 여부
- 변수나 메소드 등의 정보
링크(Linking)
- 검증: 읽어들인 클래스가 자바 언어 명세 및 JVM 명세에 명시된 대로 잘 구성되어 있는지 검사합니다.
- 준비: 클래스가 필요로 하는 메모리를 할당하고, 클래스에서 정의된 필드, 메소드, 인터페이스를 나타내는 데이터 구조를 준비합니다.
- 분석: 심볼릭 메모리 레퍼런스를 메소드 영역에 있는 실제 레퍼런스로 교체합니다.
심볼릭 메모리 레퍼런스란?
실제 메모리 주소가 아닌, 클래스 파일 내에서 참조하는 기호 또는 이름입니다. 이는 컴파일 시점에 알 수 없고, 런타임 시점에 실제 메모리 주소로 변환합니다. 예시를 통해 좀 더 살펴보겠습니다.
public class A { public void methodA() { B b = new B(); b.methodB(); } }A 클래스는 B 클래스의 객체를 생성하고, methodB()를 호출합니다. 컴파일 시점에 A 클래스는 B 클래스의 methodB()의 실제 메모리 주소를 알 수 없습니다. 대신, A 클래스 파일에는 B 클래스의 methodB()에 대한 심볼릭 레퍼런스가 포함됩니다. 이 심볼릭 레퍼런스는 B 클래스의 methodB()의 실제 메모리 위치를 나타내는 기호입니다.
런타임 시점에 JVM은 이 심볼릭 레퍼런스를 실제 메모리 주소로 변환하여 methodB()를 호출합니다.
초기화(Initialization)
클래스 변수들을 적절한 값으로 초기화합니다. 즉, static 필드들이 설정된 값으로 초기화합니다.
클래스 로더의 종류
부트스트랩 클래스 로더(Bootstrap Class Loader)
JVM 시작 시 가장 처음 실행되는 클래스 로더입니다. 가장 최상위 클래스 로더로 자바 클래스를 로드할 수 있는 자바 자체의 클래스 로더와 최소한의 자바 클래스(java.lang.Object, Class, Class Loader)만을 로드합니다.
- Java 8
jre/lib/rt.jar 및 핵심 라이브러리와 같은 JDK 내부의 클래스를 로드합니다.
- Java 9 이후
더 이상 /re.jar이 존재하지 않고, /lib 내에 모듈화되어 포함되었습니다. 이제는 정확하게 ClassLoader 내 최상위 클래스들만 로드합니다.
확장 클래스 로더(Extension Class Loader)
부트스트랩 클래스 로더를 상속받는 클래스 로더로, 확장 자바 클래스들을 로드합니다. .java.ext.dirs 환경 변수에 설정된 디렉토리의 클래스 파일을 로드하고, 이 값이 설정되지 않은 경우 ${JAVA_HOME}/jre/lib/ext에 있는 클래스 파일을 로드합니다.
- Java 8
URLClassLoader를 상속하며, jre/lin/ext 내 모든 클래스를 로드합니다.
- Java 9 이후
Platform Loader로 변경되었으며, URLClassLoader가 아닌 BuiltinClassLoader를 상속합니다. Inner Static 클래스로 구현되어 있습니다.
시스템 클래스 로더(System Class Loader)
자바 프로그램 실행 시 지정한 Classpath($CLASSPATH)에 있는 클래스 파일 혹은 jar에 속한 클래스들을 로드합니다. 즉, 우리가 만든 .class 파일을 로드합니다.
클래스 로더(Class Loader)의 동작 방식
- JVM 메소드 영역에 클래스가 로드되어 있는지 확인합니다. 로드되어 있는 경우 해당 클래스를 사용합니다.
- 메소드 영역에 클래스가 로드되어 있지 않은 경우, System Class Loader에 클래스 로드를 요청합니다.
- System Class Loader는 Extension Class Loader에 요청을 위임합니다.
- Extension Class Loader는 Bootstrap Class Loader에 요청을 위임합니다.
- Bootstrap Class Loader는 Bootstrap Classpath(JDK/JRE/LIB/EXT)에 해당 클래스가 있는지 확인합니다. 존재하지 않을 경우, System Class Loader에게 요청을 넘깁니다.
- System Class Loader는 System Classpath에 해당 클래스가 존재하는지 확인합니다. 클래스가 존재하지 않은 경우 ClassNotFoundException을 발생 시킵니다.
Class Loader가 지켜야 할 원칙
위임 원칙
- 클래스 또는 리소스를 찾기 위해 요청을 받았을 때 상위 클래스 로더에게 책임을 위임하는 모델을 따라야합니다.
가시 범위 원칙
- 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더가 로드한 클래스를 볼 수 있지만, 반대로 상위 클래스 로더는 하위 클래스가 로드한 클래스를 알 수 없습니다.
- 이로 인하여 java.lang.Object 클래스 등 상위 클래스 로더에서 로드한 클래스도 하위 클래스 로더인 시스템 클래스 로더 등에서 사용할 수 있습니다.
유일성의 원칙
- 하위 클래스 로더는 상위 클래스 로더가 로드한 클래스를 다시 로드하지 않아야 한다는 원칙입니다.
- 위임 원칙에 의해서 위쪽으로 책임을 위임하기 때문에 고유한 클래스를 보장할 수 있습니다.
동적 클래스 로딩
자바의 클래스 로딩은 클래스 참조 시점에 JVM에 코드가 링크되고, 실제 런타임 시점에 로딩되는 동적 로딩을 거칩니다. 런타임에 동적으로 클래스를 로딩한다는 것은 JVM이 미리 모든 클래스에 대한 정보를 메소드 영역(=Method Area, Static Area)에 로딩하지 않는다는 것을 의미합니다. 따라서, 동적으로 클래스를 로딩하는 방식에는 2가지가 있습니다.
1. 로드 타임 동적 로딩(Load-time Dynamic Loading)
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("안녕하세요!");
}
}위 코드와 같은 경우 다음과 같이 동작합니다.
- JVM이 시작되고 부트스트랩 클래스 로더(Bootstrap Class Loader)가 생성된 후에 모든 클래스가 상속받고 있는 Object 클래스를 읽어옵니다.
- 클래스 로더는 명령 행에서 지정한 HelloWorld 클래스를 로딩하기 위해, HelloWorld.class 파일을 읽습니다.
- HelloWorld 클래스를 로딩하는 과정에서 필요한 클래스인 java.lang.String과 java.lang.System을 로딩합니다.
이처럼 하나의 클래스를 로딩하는 과정에서 동적으로 다른 클래스를 로딩하는 것을 로드 타임 동적 로딩이라고 합니다.
2. 런타임 동적 로딩(Run-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();
}
}
}위 코드에서 Class.forName(className)은 파라미터로 받은 className에 해당하는 클래스를 로딩한 후 객체를 반환하며, 다음과 같이 동작합니다.
- Class.forName() 메소드가 실행되기 전까지는 RuntimeLoading 클래스에서 어떤 클래스를 참조하는지 알 수 없습니다.
- 따라서, RuntimeLoading 클래스를 로딩할 때는 어떤 클래스도 읽어오지 않고, RuntimeLoading 클래스의 main()가 실행되고 Class.forName(args[0])를 호출하는 순간에 비로소 args[0]에 해당하는 클래스를 로딩합니다.
이처럼 클래스를 로딩할 때가 아닌, 코드를 실행하는 순간에 클래스를 로딩하는 것을 런타임 동적 로딩이라고 합니다.
클래스의 로딩, 초기화 시점(feat. 싱글톤)
클래스가 로딩되는 시점
- 클래스의 인스턴스가 생성될 때
- 클래스의 정적 변수가 사용될 때 (단, 이 때의 정적 변수는 final로 선언되지 않음)
- 클래스의 정적 메소드가 호출될 때
클래스가 로딩되지 않는 시점
- 아무런 클래스에 접근하지 않을 때
- 클래스의 정적 변수가 사용될 때 (단, 이 때의 정적 변수는 final로 선언되어 있음)
초기화 시점
클래스 초기화는 static 블록과 static 멤버 변수의 값을 할당하는 것을 의미합니다.
- 클래스의 인스턴스가 생성될 때
- 클래스의 정적 메소드가 호출될 때
- 클래스의 정적 변수가 할당될 때
- 클래스의 정적 변수가 사용될 때 (단, 이 때의 정적 변수는 final로 선언되지 않음)
사실 위 클래스 로드 시점과 일치합니다. 클래스가 로드되면 초기화도 바로 진행되기 때문입니다.
초기화 진행 순서
정적 블록 → 정적 변수 → 생성자 순으로 초기화가 진행됩니다.
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");
}
}
한번만 클래스가 로딩됨을 보장
JLS(Java Language Specification)에 따르면 JVM에 클래스가 로딩되고 초기화될 때는 순차적으로 동작함을 보장합니다. 멀티 스레드 환경에서 여러 개의 스레드가 동시에 클래스를 로딩하려고 하면 오직 한 개의 클래스만 로딩됩니다. 이 의미는 멀티 스레드 환경에서 스레드 세이프함을 의미합니다.
싱글톤(Singleton)
위에서 설명한 한번만 클래스가 로딩된다는 점을 통해 클래스 로딩 및 초기화 과정이 스레드 세이프함을 이용하여 싱글톤 인스턴스를 만들 수 있습니다. 싱글톤이란 인스턴스를 오직 1개만 가지는 클래스를 의미합니다.
이러한 싱글톤 인스턴스를 생성하는 방법 중 가장 권장되는 방법은 LazyHolder(=Initialization-on-demand holder idiom)입니다.
LazyHolder에 의한 초기화 방식
public class HolderSingleton {
private HolderSingleton() {
}
public static HolderSingleton getInstance() {
return Holder.instance;
}
private static class Holder {
public static final HolderSingleton instance = new HolderSingleton();
}
}클래스의 로딩, 초기화 시점을 알기 전까지LazyHolder에 의해 초기화 방식을 사용하지 않고, 아래와 같이 static final 키워드를 사용하면 어떻게 될까요?
Eager Initialization(이른 초기화 방식)
public class Singleton {
public static final Singleton instance = new Singleton();
private Singleton () {
}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}그러나 이 방식은 Singleton 클래스가 로딩될 때 사용하지 않을 수도 있는 instance 변수(싱글톤 객체)가 생성되기 때문에 메모리가 낭비됩니다. 예를 들어, 정적 변수 또는 정적 메소드 만 사용하려 하는데 클래스가 로딩되면서 static 키워드가 붙은 instance 변수가 초기화되어 싱글톤 객체가 생성되는 것입니다.
따라서, 해당 클래스가 로드되어도 내부 클래스는 로드되지 않는 클래스 로더의 특성을 이용한 LazyHolder에 의한 초기화 방식을 사용하는 것이 더 좋습니다.