[Java] 클래스 로드

출처

ChatGPT

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-%ED%81%B4%EB%9E%98%EC%8A%A4%EB%8A%94-%EC%96%B8%EC%A0%9C-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%EC%97%90-%EB%A1%9C%EB%94%A9-%EC%B4%88%EA%B8%B0%ED%99%94-%EB%90%98%EB%8A%94%EA%B0%80-%E2%9D%93

☕ 클래스는 언제 메모리에 로딩 & 초기화 되는가 ❓

 

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"클래스가 로드된다" 의 의미

자바 프로그램이 실행되는 동안 JVM(Java Virtual Machine)이 클래스 파일을 메모리에 로드해 프로그램에서 사용할 준비를 하는 과정을 의미한다.

이 과정은 클래스의 바이트 코드가 메모리에 적재되고 이 후 사용자가 클래스의 메서드를 호출하거나 객체를 생성할 수 있는 상태로 만드는 일련의 단계들을 포함한다.

 

클래스 로딩 과정

1. 클래스 로딩 Class Loading
2. 링킹 Linking
3. 초기화 Initialization
4. 사용 가능 상태

 

1. 클래스 로딩 Class Loading

 

- 바이트 코드 읽기

JVM은 클래스 파일(*.class)에서 바이트코드를 읽어들인다.

 

- 로더 결정

JVM은 클래스를 로드하기 위해 사용할 클래스 로더를 결정한다. 클래스 로더는 클래스를 메모리에 적재하는 역할을 한다.

클래스 로드 종류 설명은 아래에

2. 링킹 Linking

- 검증 Verification

로드된 클래스 파일의 바이트코드가 유효한지 확인한다. 이 단계에서는 메모리 침범 방지, 스택 검증 등 보안 검사를 수행한다.

 

- 준비 Preparation

클래스에 선언된 모든 정적 필드를 위한 메모리를 할당하고 기본값을 설정한다.

 

- 해결 Resolution

클래스가 사용하는 모든 심볼릭 레퍼런스를 실제 메모리 주소로 변경한다.

• 심볼릭 레퍼런스란? > [Java] 심볼릭 레퍼런스 Symbolic Reference

 

3. 초기화 Initialization

- 정적 초기화 블록 및 정적 변수 초기화

클래스에 정의된 static 초기화 블록과 static 변수가 이 시점에서 초기화된다. 초기화는 클래스의 정적 블록이 있는 경우 실행되며, 그 외의 경우에는 기본값이 할당된다.

 

- 클래스 생성자 실행

static 필드에 초기 값을 설정하기 위한 클래스 생성자(<clinit> 메서드)가 호출된다.

 

예제

public class MyClass {
    static int staticValue = 10;

    static {
        staticValue = 20; // 클래스가 로드될 때 실행
        System.out.println("Static block executed");
    }
}

 

4. 사용 가능 상태

초기화가 완료된 후 클래스는 인스턴스화사 가능한 상태가 된다. 이 상태에서는 클래스를 사용하거나 객체를 생성하거나 static 메서드를 호출할 수 있다.

 

예제

public class Example {
    static int count = 0;

    static {
        System.out.println("Class Example is loaded");
    }

    public static void printMessage() {
        System.out.println("Hello from Example");
    }

    public Example() {
        count++;
        System.out.println("Object created");
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 클래스 로딩: Example 클래스는 여기에 처음 등장하므로 로드됩니다.
        Example.printMessage(); // Static block이 먼저 실행됨

        // 객체 생성: 이미 로드되었으므로 바로 객체가 생성됩니다.
        Example obj1 = new Example();
        Example obj2 = new Example();
    }
}

 

클래스 로딩 시점

클래스가 처음 사용될 때 로드된다.

1. 클래스의 인스턴스 생성 시

클래스로 객체를 생성할 경우이다.

2. 클래스의 정적 메소드 호출 시

static 키워드가 붙은 함수를 호출할 경우

3. 클래스의 정적 변수 할당 시

static 키워드가 붙고, final 키워드는 붙지 않은 변수를 호출할 경우

4. 클래스의 상수가 아닌 정적 변수를 사용할 시

static final 변수가 상수일 경우에는 클래스 로드가 일어나지 않고, static final 변수가 런타임에 계산되는 값이면 클래스 로드와 클래스 초기화가 일어난다.

 

1. static final 변수가 런타임에 계산하는 값일 경우, 클래스가 로드된다. 

public class MyClass {
    public static final int CONSTANT = new Random().nextInt();
}

 

public static final int VALUE = Math.max(10, 20);

 

• 값이 실행 시점에 계산되어야 하므로, 해당 클래스를 로드하고 초기화해야 한다.

 

2. staic final 변수가 상수일 경우, 클래스가 로드되지 않는다. 컴파일러가 상수 풀(constant pool)에 해당 값을 직접 넣어 인라인(inline) 처리하기 때문이다. 

public class MyClass {
    public static final int CONSTANT = 42;
}

• 컴파일 타임 상수는 컴파일 시점에 그 값을 확정할 수 있는 변수로, 기본적으로 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
  • 기본 타입(Primitive Type)이나 문자열이어야 한다.
  • 상수 표현식으로 정의되어야 한다. 예를 들어, int = 5 + 3; 처럼 컴파일 시점에 그 값을 알 수 있어야 한다.
    • 상수 표현식 : 컴파일 시점에 그 값을 결정할 수 있는 표현식.
      • 예 1: 리터럴 상수 사용
        • public static final int CONSTANT = 10;
      • 예 2: 기본 타입 간의 산술 연산
        • public static final int ANOTHER_CONSTANT = 5 + 3;
      • 예 3: 기존 상수들간의 연산
        • public static final int CONSTANT_A = 4;
        • public static final int CONSTANT_B = CONSTANT_A * 2;
      • 예 4: 문자열 결합
        • public static final String GREETING = "Hello, " + "World!";
• 이러한 경우에 컴파일러는 상수의 값을 참조할 때 실제 변수를 참조하지 않고 직접 값 자체를 코드에 삽입한다. 이를 통해 프로그램의 실행 속도가 빨라지고 메모리 사용량이 줄어든다. 따라서 static final 변수를 사용하는 코드에서는 변수가 선언된 클래에 대한 참조가 불필요하게 된다.

 

클래스 로딩의 종류

자바에서 클래스 로딩은 두 가지 주요 방식으로 이루어진다.

1. 정적 로딩 Static Loading

일반적으로 'new' 키워드로 인스턴스를 생성하거나, static 메서드/변수에 접근할 때 발생한다.

프로그램 시작 시점에 모든 클래스가 메모리에 로드되는 방식. JVM에 의해 자동으로 로드된다. 일반적인 상황에서는 자바 컴파일러가 미리 결정된 클래스를 메모리에 올리며, 모든 클래스와 메서드는 프로그래미이 시작될 떄부터 사용할 준비가 된다.

 

예시

// Static loading example
Example obj = new Example(); // Example 클래스가 로드됨

 

2. 동적 로딩 Dynamic Loading

프로그램 실행 중 특정 조건이나 요구사항에 따라 클래스가 필요할 때 그 때서야 메모리에 로드되는 방식. 이 방식은 미리 알 수 없는 클래스나 외부 리소스에 대한 종속성을 처리할 때 사용된다.

Reflection API를 사용해 실행 시간에 클래스를 로드하고 인스턴스를 생성할 수 있다. 

 

예시

// Dynamic loading example
try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.example.DynamicClass");
    Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

 

클래스 로더 Class Loader

JVM에는 클래스 로딩을 수행하는 클래스 로더가 존재한다. 이들은 클래스 파일의 로딩 경로 및 방식에 따라 구분된다.

1. 부트스트랩 클래스 로더 Bootstrap Class Loader

• JRE 기본 클래스(Java API, java.lang., java.util 등)를 로드한다.
• 네이티브 코드로 구현되어 있으며, 'rt.jar' 파일의 내용을 메모리에 올린다.

2. 확장 클래스 로더 Extenstion Class Loader

• JDK의 확장 디렉토리인 'jre/lib/ext'에 있는 클래스를 로드한다.
• 보통 부트스르배 클래스 로더에 의해 로드되지 않은 클래스를 담당한다.

3. 시스템 클래스 로더 System/Application Class Loader

• 응용 프로그램 클래스 경로(classpath)에 있는 클래스를 로드한다.
• 자바 프로그램이 실행될 때 기본적으로 사용되는 클래스 로더이다.

 

클래스 로딩의 중요성

메모리 효율성

클래스는 필요할 때만 메모리에 로드되어 메모리 사용량을 최적화한다.

 

보안

클래스 로더는 바이트코드를 검증하여 JVM의 안전성을 보장한다. 악의적인 코드를 실행하기 전에 차단할 수 있다.

 

유연성

클래스 로더를 사용하면 동적으로 클래스를 로드하고, 자바 애플리케이션에서 플러그인 시스템을 구현하는 것이 가능하다.

 

 

 

 

요약

"클래스가 로드된다"는 것은 자바 프로그램에서 클래스가 JVM에 의해 메모리로 읽혀져 사용 가능한 상태가 되는 과정을 의미한다. 이 과정은 클래스의 정의를 메모리로 가져오고, 정적 변수와 메서드를 초기화하며, 그 후 객체 인스턴스가 생성될 수 있도록 준비하는 것을 포함한다. 클래스 로딩은 프로그램의 시작부터 객체 생성에 이르는 전체 단계 과정의 필수 단계로, 효율적이고 안전한 프로그램 실행을 위해 중요하다.

 

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ChatGPT에게 이 글의 출처를 물었다.

클래스 로딩에 대한 출처

1. The Java Language Specification
   • 내용: 이 문서는 자바 언어의 공식 사양을 설명하며, 클래스 로딩과 초기화 과정에 대한 구체적인 정보를 제공합니다. 클래스 로딩은 런타임 시 클래스 파일을 메모리에 로드하고, 검증 및 준비, 해석, 초기화 단계를 거치는 과정입니다.
   • 설명:
     • 로드(Loading): 클래스 파일을 읽어 메모리에 로드합니다.
     • 링크(Linking):
       • 검증(Verification): 클래스 파일의 형식 및 바이트코드의 유효성을 검증합니다.
       • 준비(Preparation): 클래스 변수(static 변수)를 위한 메모리를 할당하고 기본값으로 초기화합니다.
       • 해석(Resolution): 심볼릭 레퍼런스를 메모리의 실제 주소로 변환합니다.
     • 초기화(Initialization): 클래스 변수의 초기화 코드가 실행됩니다.
   • 링크: The Java Language Specification
2. Java Virtual Machine Specification
   • 내용: 이 문서는 JVM의 동작 원리와 메모리 관리, 클래스 로딩 메커니즘에 대한 상세한 설명을 제공합니다. 클래스 로더(ClassLoader)는 클래스 파일을 읽어 메모리에 로드하고, 클래스를 초기화하여 프로그램이 실행될 준비를 하도록 합니다.
   • 설명:
     • 클래스 로더는 기본적으로 Bootstrap ClassLoader, Extension ClassLoader, Application ClassLoader로 구분되며, 각각의 역할에 따라 클래스를 로드합니다.
     • 클래스 로딩은 동적(dynamic)으로 수행되며, 필요한 시점에 클래스를 메모리에 로드하고 초기화합니다.
   • 링크: Java Virtual Machine Specification
3. "Inside the Java Virtual Machine" by Bill Venners
   • 내용: 이 책은 JVM의 내부 구조와 동작을 설명하며, 클래스 로딩 메커니즘과 메모리 모델을 자세히 다룹니다. 클래스 로딩 과정은 JVM이 클래스를 어떻게 로드하고, 링크하고, 초기화하는지를 보여줍니다.
   • 설명:
     • 클래스 로딩은 JVM의 ClassLoader가 수행하며, 클래스 파일의 바이트코드를 읽어 들여 메모리에 로드하고, 프로그램이 실행될 준비를 합니다.
     • 클래스 로딩 과정은 lazy loading 방식을 사용하여, 필요한 시점에만 클래스를 로드하여 메모리 사용을 최적화합니다.
   • 링크: Inside the Java Virtual Machine on Amazon
4. "Java Concurrency in Practice" by Brian Goetz
   • 내용: 이 책은 자바에서의 동시성 문제와 해결 방법을 설명하며, 클래스 로딩이 멀티스레드 환경에서 어떻게 안전하게 수행되는지를 다룹니다.
   • 설명:
     • 클래스 로딩은 자바의 클래스 로더에 의해 관리되며, 멀티스레드 환경에서도 안전하게 수행되도록 설계되어 있습니다.
     • 클래스 로딩 과정에서 발생할 수 있는 race condition을 방지하기 위해 동기화 메커니즘을 사용합니다.
   • 링크: Java Concurrency in Practice on Amazon
5. "Java Performance: The Definitive Guide" by Scott Oaks
   • 내용: 이 책은 자바 애플리케이션의 성능 최적화를 위한 다양한 기법을 설명하며, 클래스 로딩과 관련된 성능 이슈를 다룹니다.
   • 설명:
     • 클래스 로딩은 JVM 성능에 직접적인 영향을 미치며, 효율적인 클래스 로딩 전략은 애플리케이션의 성능을 개선할 수 있습니다.
     • **클래스 데이터 공유(Class Data Sharing, CDS)**와 같은 기법을 사용하여 클래스 로딩 시간을 줄이고, 메모리 사용을 최적화할 수 있습니다.
   • 링크: Java Performance on Amazon