[JVM 밑바닥까지 파헤치기] 7-1. 클래스 로딩 매커니즘: 클래스 로딩 처리 과정

저우즈밍 님의 "JVM 밑바닥까지 파헤치기" 책을 정리한 포스팅 입니다

 

1. 클래스 동적 로딩

• JVM 프로그램 실행 도중, 해당 클래스가 처음 필요해지는 시점에 클래스를 메모리에 로드하는 방식
• ✅ Lazy Loading 기반

 

장점

항목	설명	특징
확장성	필요할 때만 클래스를 로딩	모듈화 및 유연한 설계 가능
유연성	특정 클래스나 기능을 런타임 중에 교체/추가 가능	OSGi, WAS, 핫스왑 구조
외부 클래스 로딩	네트워크/파일시스템 등에서 외부 .class를 로드할 수 있음
런타임 바인딩	컴파일 타임이 아닌 실행 시 클래스 결정 가능	플러그인 구조에 유리

 

예시) OSGi

• 자바에서 클래스 로드를 번들 단위로 분리해서 설치/업데이트/제거/재시작을 런타임 중에 할 수 있게 만든 프레임워크
• 번들마다 자기 전용 ClassLoader를 가짐

 

예시) HotSwap

• 핫 리로드: 실행중인 JVM에서 코드를 수정하고 바로 반영하는 기술
• 새로운 ClassLoader를 만들어서 그 로더로 클래스를 다시 로드
• 이전 로드는 참조를 끊어 GC 대상이 되게 함

 

단점

• 성능 떨어짐

 

클래스 로더

• .class 바이트코드를 읽어 메모리에 올리는 주체
• ✅ 계층형: Bootstrap - Extension, Application 으로 구성됨
• ✅ 직접 정의 가능: Application ClassLoader 를 직접 정의하여 클래스 로드를 할 수 있음

 

코드) Application ClassLoader 정의

ClassLoader의 findClass() 또는 loadClass() 오버라이딩

// 간단한 커스텀 로더: 지정한 디렉토리에서 .class 바이트를 읽어 defineClass
static class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private final Path baseDir;

    MyClassLoader(Path baseDir, ClassLoader parent) {
        super(parent);          // ✅ 부모를 AppClassLoader로 둠
        this.baseDir = baseDir;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // name: com.example.Hello -> com/example/Hello.class
        Path classFile = baseDir.resolve(name.replace('.', '/') + ".class");
        try {
            byte[] bytes = Files.readAllBytes(classFile);
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException("Cannot load " + name + " from " + classFile, e);
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassLoader app = ClassLoader.getSystemClassLoader(); // AppClassLoader
        Path dir = Path.of("classes"); // 예: ./classes/com/example/Hello.class 가 있어야 함

        ClassLoader my = new MyClassLoader(dir, app);

        Class<?> hello = Class.forName("com.example.Hello", true, my);
        System.out.println("Loaded by: " + hello.getClassLoader());
        System.out.println("App loader: " + app);
    }
}

 

2. 과정

1. Loading: 클래스의 바이트코드를 읽어와 JVM 메모리에 로드하는 단계 (클래스 로더 사용)
2. Linking: 로드된 클래스가 실제 실행될 수 있도록 JVM 내부 구조에 연결하는 과정
3. (Initialization): 클래스의 정적 초기화 코드인 <clinit> 메서드를 실행하는 단계

 

특징) Loading

• Heap에 java.lang.Class 인스턴스 생성 (내부적으로 메타데이터를 참조하여 사용하도록 함)
• 배열 클래스는 클래스 로더가 아닌 JVM이 직접 생성 (동적 생성 구조)

 

과정) Linking

단계	설명	항목
Verification	JVM의 안전성 보장을 위한 검증 단계	- 파일 형식: 매직 넘버 버전 번호, 상수 타입 유효성 등 - 메타데이터: 상위 클래스 존재 여부, 필드 이름 충돌 여부 - 바이트코드 유효성: 명령어 유효성, 형변환 적절성 - 접근 제어 검증: 심벌 참조 대상의 접근 권한 확인
Preparation	클래스 변수의 메모리 할당 및 초기화
Resolution	상수 풀의 심벌 참조를 직접 참조로 변환

 

특징) Initialization

항목	설명
부모 클래스 우선	상위 클래스의 <clinit>이 먼저 실행되고, 그 다음에 현재 클래스의 <clinit> 실행
실행 조건	아래 조건 중 하나라도 발생 시 실행됨	- new (인스턴스 생성) - getstatic, putstatic (정적 필드 접근/수정) - invokestatic (정적 메서드 호출)