Java 클래스로더 훑어보기
Java ClassLoader 훑어보기
아주 예전에 SCJP 시험볼 때나 살펴본 이후로 자바의 클래스로더를 직접 다뤄야 할 일은 솔직히 없었다. 그래서 거의 잊고 살아왔는데 요즘 Quartz를 다루면서 Quartz에 없는 기능인 외부 Job 클래스 로딩 기능을 만들면서 정말로 오랜만에 들여다보게 됐다.
클래스로더는 Java9에 모듈 시스템이 도입되면서 적지 않은 변경이 있었다. 자세한 내용은 https://docs.oracle.com/javase/9/migrate/toc.htm#JSMIG-GUID-D867DCCC-CEB5-4AFA-9D11-9C62B7A3FAB1 를 참고하고, 먼저 Java8 까지 적용됐던 내용을 기준으로 되짚어보자.
Java 8
3가지 기본 클래스로더
Bootstrap ClassLoader
- 부트스트랩 클래스로더는 3가지 기본 클래스로더 중 최상위 클래스로더로서, 쉽게 말하면
jre/lib/rt.jar에 담긴 JDK 클래스 파일을 로딩한다. - Native C로 구현돼 있어서,
String.class.getClassLoader()는 그냥null을 반환한다. Primordial ClassLoader 라고 불리기도 한다.
Extension ClassLoader
- 익스텐션 클래스로더는
jre/lib/ext폴더나java.ext.dirs환경 변수로 지정된 폴더에 있는 클래스 파일을 로딩한다. - Java로 구현되어 있으며
sun.misc.Launcher클래스 안에 static 클래스로 구현되어 있으며,URLClassLoader를 상속하고 있다.
Application ClassLoader
- 애플리케이션 클래스로더는
-classpath(또는 -cp)나 JAR 파일 안에 있는 Manifest 파일의Class-Path속성값으로 지정된 폴더에 있는 클래스를 로딩한다. - 익스텐션 클래스로더와 마찬가지로 Java로 구현되어 있으며,
sun.misc.Launcher클래스 안에 static 클래스로 구현되어 있으며,URLClassLoader를 상속하고 있다. - 개발자가 애플리케이션 구동을 위해 직접 작성한 대부분의 클래스는 이 애플리케이션 클래스로더에 의해 로딩된다.
3가지 원칙
자바 클래스로더는 3이라는 숫자와 친해 보인다. 기본 클래스로더가 3가지이고, 작동 원칙도 3가지다.
Delegation Principle
위임 원칙은 클래스 로딩이 필요할 때 3가지 기본 클래스로더의 윗 방향으로 클래스 로딩을 위임하는 것을 말한다. main() 메서드가 포함된 ClassLoaderRunner 클래스에서 개발자가 직접 작성한 Internal 클래스를 로딩하는 과정을 그림으로 표현하면 다음과 같다.
ClassLoaderRunner는 자기 자신을 로딩한 애플리케이션 클래스로더에게Internal클래스 로딩을 요청한다.클래스 로딩 요청을 받은 애플리케이션 클래스로더는
Internal을 스스로 직접 로딩하지 않고 상위 클래스로더인 익스텐션 클래스로더에게 위임한다.클래스 로딩 요청을 받은 익스텐션 클래스로더도
Internal을 스스로 직접 로딩하지 않고 상위 클래스로더인 부트스트랩 클래스로더에게 위임한다.부트스트랩 클래스로더는
rt.jar에서Internal을 찾아서4.1 있으면 로딩 후 반환하고
없으면 익스텐션 클래스로더가
jre/lib/ext폴더나java.ext.dirs환경 변수로 지정된 폴더에서Internal을 찾아서5.1 있으면 로딩 후 반환하고
없으면 애플리케이션 클래스로더가 클래스패스에서
Internal을 찾아서6.1 있으면 로딩 후 반환하고
없으면
ClassNotFoundException이 발생한다.
이런 식으로 동작하는 이유는 두 번째 원칙인 Visibility Principle과 관련이 있다.
Visibility Principle
가시범위 원칙은 하위 클래스로더는 상위 클래스로더가 로딩한 클래스를 볼 수 있지만, 상위 클래스로더는 하위 클래스로더가 로딩한 클래스를 볼 수 없다는 원칙이다.
만약에 개발자가 만든 클래스를 로딩하는 애플리케이션 클래스로더가 부트스트랩 클래스로더에 의해 로딩된 String.class를 볼 수 없다면 애플리케이션은 String.class를 사용할 수 없을 것이다. 따라서 하위에서는 상위를 볼 수 있어야 애플리케이션이 제대로 동작할 수 있다.
상위에서도 하위를 볼 수 있다면 상/하위 구분이 사실상 없어진다. 클래스로더를 3가지로 나눈 이유가 있을텐데 상위가 하위를 볼 수 있으면 구분 의미가 희석돼버린다.
따라서 하위에서는 상위를 볼 수 있지만 상위에서는 하위를 볼 수 없어야 한다.
Uniqueness Principle
유일성 원칙은 하위 클래스로더는 상위 클래스로더가 로딩한 클래스를 다시 로딩하지 않게 해서 로딩된 클래스의 유일성을 보장하는 것이다. 유일성을 식별하는 기준은 클래스의 binary name인데, toString()으로 찍다보면 가끔 보이는 java.lang.String, javax.swing.JSpinner$DefaultEditor, java.security.KeyStore$Builder$FileBuilder$1, java.net.URLClassLoader$3$1 이런 것들이 바로 binary name이다. binary name의 자세한 내용은 https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-13.html#jls-13.1 를 참고한다.
Java 9
Java 9 에서도 기본 클래스로더의 3계층 구조와 3가지 원칙은 그대로 유효하다. 다만 모듈 시스템 도입에 맞춰 이름과 범위, 구현 내용 등이 바뀌었다.
https://docs.oracle.com/javase/9/migrate/toc.htm#JSMIG-GUID-EEED398E-AE37-4D12-AB10-49F82F720027 요 내용 중 ClassLoader에 관련된 내용만 추려보면 다음과 같다.
한 표 요약
| Java 8 | Java 9 | 달라진 점 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader | 이름 그대로 | - rt.jar 등이 없어짐에 따라 로딩할 수 있는 클래스의 범위가 전반적으로 축소 - 따라서 parent classloader 인자로 null을 넘겨주며 Bootstrap ClassLoader를 parent classloader로 사용했던 코드 수정 필요할 수 있음 |
| Extension ClassLoader | Platform ClassLoader | - jre/lib/ext, java.ext.dirs를 지원하지 않음 - Java SE의 모든 클래스와 Java SE에는 없지만 JCP에 의해 표준화 된 모듈 내의 클래스를 볼 수 있으며, Java 8에 비해 볼 수 있는 범위가 확장됨 - URLClassLoader가 아닌 BuiltinClassLoader를 상속받아 ClassLoaders 클래스의 내부 static 클래스로 구현됨 |
| Application ClassLoader | System ClassLoader | - 클래스패스, 모듈패스에 있는 클래스 로딩 - URLClassLoader가 아닌 BuiltinClassLoader를 상속받아 ClassLoaders 클래스의 내부 static 클래스로 구현됨 |
rt.jar, tools.jar 가 제거됨
rt.jar, tools.jar 등 기본으로 제공되던 jar 파일이 없어지고 그 안에 있던 내용들은 모듈 시스템에 맞게 더 효율적으로 재편되어 lib 폴더 안에 저장된다. 이에 따라 rt.jar내의 모든 클래스를 로딩할 수 있던 Bootstrap ClassLoader가 로딩할 수 있는 클래스의 범위도 전체적으로 줄어들었다.
따라서 Bootstrap ClassLoader를 parent classloader로 사용하던 코드에서는 문제가 발생할 수 있다.
이럴 때는 Bootstrap Classloader를 의미하는 null 대신 Classloader.getPlatformClassLoader()를 인자로 넘겨서 가시 범위가 확장된 Platform ClassLoader를 parent classloader로 사용하면 된다.
jre/lib/ext, java.ext.dirs, lib/endorsed, java.endorsed.dirs 가 제거됨
jre/lib/ext, lib/endorsed 가 파일시스템에 존재하거나 java.ext.dirs, java.endorsed.dirs가 환경변수로 설정되어 있으면 javac나 java는 실행이 종료된다.
정리
Java에는 3가지 기본 클래스로더가 있다.
부트스트랩 클래스로더
익스텐션 클래스로더(Java 9부터는 플랫폼 클래스로더)
애플리케이션 클래스로더(Java 9부터 시스템 클래스로더)
클래스로더 동작에는 3가지 원칙이 있다.
위임 원칙: 클래스로딩 작업을 상위 클래스로더에 위임한다.
가시 범위 원칙: 하위 클래스로더는 상위 클래스로더가 로딩한 클래스를 볼 수 있지만, 상위 클래스로더는 하위 클래스로더가 로딩한 클래스를 볼 수 없다.
유일성 원칙: 하위 클래스로더는 상위 클래스로더가 로딩한 클래스를 다시 로딩하지 않게 해서 로딩된 클래스의 유일성을 보장한다.
