クラスローディング

はじめに

クラスローディングは、JVMがクラスファイル（.class）をメモリに読み込み、使用可能な状態にするプロセスです。この仕組みを理解することで、Spring BootのDI（依存性注入）やプラグインシステムの動作原理を把握できます。

クラスローディングの3つのフェーズ

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              クラスローディングの流れ                        │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  1. Loading（ロード）                                        │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ .classファイルをバイナリデータとして読み込む        │  │
│     │ → java.lang.Class オブジェクトを生成               │  │
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                           ↓                                  │
│  2. Linking（リンク）                                        │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ a. Verification（検証）                             │  │
│     │    → バイトコードの正当性を検証                     │  │
│     │                                                     │  │
│     │ b. Preparation（準備）                              │  │
│     │    → static フィールドにデフォルト値を設定          │  │
│     │                                                     │  │
│     │ c. Resolution（解決）                               │  │
│     │    → シンボリック参照を実際の参照に変換             │  │
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                           ↓                                  │
│  3. Initialization（初期化）                                 │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ static イニシャライザとstatic フィールドの初期化     │  │
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

各フェーズの詳細

public class Example {
    // Preparation: count = 0 (デフォルト値)
    // Initialization: count = 42
    private static int count = 42;

    // Initialization で実行される
    static {
        System.out.println("Static initializer called");
    }
}

フェーズ	処理内容	例
Loading	クラスファイルを読み込み	`.class` → バイト配列
Verification	バイトコード検証	不正なジャンプ命令の検出
Preparation	staticフィールドにデフォルト値	`count = 0`
Resolution	参照の解決	`String` → 実際のクラス
Initialization	staticブロック実行	`count = 42`

クラスローダー階層

親委譲モデル（Parent Delegation Model）

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  クラスローダー階層                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │            Bootstrap ClassLoader                     │    │
│  │  ・JVMに組み込み（ネイティブコード）                  │    │
│  │  ・java.lang.*, java.util.* などコアクラス           │    │
│  │  ・$JAVA_HOME/lib/modules                            │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                          ↑ 委譲                              │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │            Platform ClassLoader                      │    │
│  │  (旧: Extension ClassLoader)                         │    │
│  │  ・プラットフォーム固有のクラス                       │    │
│  │  ・java.sql.*, javax.* など                          │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                          ↑ 委譲                              │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │            Application ClassLoader                   │    │
│  │  (System ClassLoader)                                │    │
│  │  ・アプリケーションのクラス                          │    │
│  │  ・classpath上のクラス                               │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                          ↑ 委譲                              │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │            Custom ClassLoader                        │    │
│  │  ・アプリケーション独自のクラスローダー              │    │
│  │  ・例: Spring Boot, Tomcat, OSGi                     │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                                                              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

親委譲の動作

クラス "com.example.MyClass" のロード要求

  Application ClassLoader
      │
      ├─ 1. 親(Platform)に委譲
      │       │
      │       ├─ 2. 親(Bootstrap)に委譲
      │       │       │
      │       │       └─ 3. Bootstrapで探す → 見つからない
      │       │
      │       └─ 4. Platformで探す → 見つからない
      │
      └─ 5. Applicationで探す → 見つかった！ロード完了

なぜ親委譲モデルか？

理由	説明
セキュリティ	悪意のある`java.lang.String`クラスの差し替えを防止
一意性	同じクラスが複数回ロードされることを防止
可視性	親がロードしたクラスは子から参照可能

クラスローダーの確認

コードで確認

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // Stringクラス（コアライブラリ）
        ClassLoader stringLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println("String: " + stringLoader);  // null (Bootstrap)

        // 自作クラス
        ClassLoader myLoader = ClassLoaderDemo.class.getClassLoader();
        System.out.println("MyClass: " + myLoader);

        // クラスローダー階層を表示
        ClassLoader loader = myLoader;
        while (loader != null) {
            System.out.println("  -> " + loader);
            loader = loader.getParent();
        }
    }
}

出力例:

String: null
MyClass: jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@5c647e05
  -> jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@5c647e05
  -> jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@7a81197d

クラスの一意性

クラスの同一性

JVMでは、クラスは「完全修飾名 + クラスローダー」で一意に識別されます。

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              クラスの同一性                                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  異なるクラスローダーでロード                                │
│                                                              │
│  ClassLoader A                 ClassLoader B                 │
│       │                              │                       │
│       ↓                              ↓                       │
│  com.example.User              com.example.User              │
│  (Class@1a2b)                  (Class@3c4d)                  │
│                                                              │
│  同じ完全修飾名でも、異なるClassオブジェクト                 │
│  → 相互にキャストできない！                                  │
│                                                              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

// これはClassCastExceptionになる可能性がある
Object obj = loaderA.loadClass("com.example.User").newInstance();
User user = (User) obj;  // loaderBでロードしたUserクラスの場合、例外

Spring Bootでの注意点

Spring Bootの開発モード（DevTools）では、アプリケーションクラスが別のクラスローダーでリロードされます。

通常のクラスローダー
    └── DevTools ClassLoader（リスタート時に新規作成）
            └── アプリケーションのクラス

これにより、シリアライズされたセッションデータなどで問題が発生することがあります。

カスタムクラスローダー

実装例

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    private final String classPath;

    public CustomClassLoader(String classPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // クラス名をファイルパスに変換
            String fileName = classPath + "/" +
                name.replace('.', '/') + ".class";

            // バイトコードを読み込み
            byte[] classData = Files.readAllBytes(Path.of(fileName));

            // クラスを定義
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);

        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name, e);
        }
    }
}

使用例

// カスタムクラスローダーを使用
CustomClassLoader loader = new CustomClassLoader(
    "/path/to/classes",
    ClassLoader.getSystemClassLoader()
);

// クラスをロード
Class<?> clazz = loader.loadClass("com.example.Plugin");

// インスタンス生成
Object instance = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();

ServiceLoader（SPI）

サービスプロバイダインターフェース（SPI）とは

ServiceLoaderは、Javaの標準的なプラグイン機構です。インターフェースの実装を実行時に動的に発見・ロードできます。

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    ServiceLoader の仕組み                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  1. サービスインターフェース定義                             │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ public interface PaymentProvider {                 │  │
│     │     void processPayment(Payment payment);          │  │
│     │ }                                                  │  │
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                              │
│  2. 実装クラス（プロバイダ）                                 │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ public class StripeProvider implements PaymentProvider│
│     │ public class PayPalProvider implements PaymentProvider│
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                              │
│  3. META-INF/services で登録                                 │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ META-INF/services/com.example.PaymentProvider      │  │
│     │ ─────────────────────────────────────────────────  │  │
│     │ com.example.StripeProvider                         │  │
│     │ com.example.PayPalProvider                         │  │
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                              │
│  4. ServiceLoader で発見・ロード                             │
│     ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│     │ ServiceLoader.load(PaymentProvider.class)          │  │
│     │ → 全ての実装を自動的に発見                         │  │
│     └────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

基本的な使い方

// 1. サービスインターフェース
public interface MessageFormatter {
    String format(String message);
}

// 2. 実装クラス
public class JsonFormatter implements MessageFormatter {
    @Override
    public String format(String message) {
        return "{\"message\": \"" + message + "\"}";
    }
}

public class XmlFormatter implements MessageFormatter {
    @Override
    public String format(String message) {
        return "<message>" + message + "</message>";
    }
}

// 3. META-INF/services/com.example.MessageFormatter
com.example.JsonFormatter
com.example.XmlFormatter

// 4. ServiceLoader で使用
ServiceLoader<MessageFormatter> loader = ServiceLoader.load(MessageFormatter.class);

for (MessageFormatter formatter : loader) {
    System.out.println(formatter.format("Hello"));
}
// 出力:
// {"message": "Hello"}
// <message>Hello</message>

代表的な使用例

ライブラリ/フレームワーク	SPI の用途
JDBC	`java.sql.Driver` の自動登録
SLF4J	ロギング実装の発見
Jackson	モジュールの自動登録
Spring Boot	`AutoConfiguration` の発見
Servlet	`ServletContainerInitializer`

JDBC での例

// Java 6以降、DriverManager は ServiceLoader で自動的にドライバを発見
// META-INF/services/java.sql.Driver に登録されているドライバが自動ロード

// 明示的な Class.forName() は不要
// Class.forName("com.mysql.cj.jdbc.Driver");  // 昔は必要だった

Connection conn = DriverManager.getConnection(
    "jdbc:mysql://localhost/db", "user", "password"
);

Java 9+ モジュールシステムとの統合

Java 9以降は module-info.java で宣言的にサービスを定義できます。

// サービスを提供するモジュール
module payment.stripe {
    requires payment.api;
    provides com.example.PaymentProvider
        with com.stripe.StripeProvider;
}

// サービスを使用するモジュール
module payment.app {
    requires payment.api;
    uses com.example.PaymentProvider;
}

ServiceLoader のベストプラクティス

// シングルトンでキャッシュ（毎回ロードしない）
public class FormatterRegistry {
    private static final ServiceLoader<MessageFormatter> loader =
        ServiceLoader.load(MessageFormatter.class);

    public static List<MessageFormatter> getFormatters() {
        List<MessageFormatter> formatters = new ArrayList<>();
        loader.forEach(formatters::add);
        return formatters;
    }

    // リロードが必要な場合
    public static void reload() {
        loader.reload();
    }
}

注意点

注意点	説明
インスタンス生成	毎回新しいインスタンスが生成される
引数なしコンストラクタ	実装クラスには引数なしコンストラクタが必要
クラスパス依存	クラスパス上のJARのみが対象
順序不定	実装の発見順序は保証されない

遅延ロード（Lazy Loading）

JVMはクラスを必要になるまでロードしません。

public class LazyLoadingDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main started");

        // この時点ではHeavyClassはロードされない
        if (false) {
            HeavyClass heavy = new HeavyClass();
        }

        System.out.println("main ended");
    }
}

class HeavyClass {
    static {
        System.out.println("HeavyClass loaded!");
    }
}

出力:

main started
main ended

ロードのトリガー

トリガー	例
new によるインスタンス生成	`new MyClass()`
static メンバへのアクセス	`MyClass.staticField`
リフレクション	`Class.forName("MyClass")`
サブクラスの初期化	親クラスが先に初期化
mainメソッドを持つクラス	エントリポイント

クラスのアンロード

アンロードの条件

クラスがアンロードされる条件:

そのクラスのインスタンスが全て到達不能
そのClassオブジェクトが到達不能
そのクラスをロードしたClassLoaderが到達不能

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              クラスのアンロード条件                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  通常のクラス（AppClassLoader）                              │
│  → アンロードされない（ClassLoaderがJVM終了まで生存）       │
│                                                              │
│  カスタムクラスローダーでロードしたクラス                    │
│  → ClassLoaderへの参照がなくなればアンロード可能            │
│                                                              │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  // ClassLoaderを破棄                                │   │
│  │  customLoader = null;                                │   │
│  │  System.gc();  // GCでアンロード                     │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                                              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Metaspace とクラスアンロード

Java 8以降、クラスメタデータはMetaspaceに格納されます。

# Metaspaceサイズ制限
java -XX:MaxMetaspaceSize=256m -jar app.jar

# クラスアンロードを許可（デフォルトで有効）
java -XX:+ClassUnloading -jar app.jar

Spring Bootとクラスローディング

Fat JAR のクラスローダー

Spring Boot の実行可能JAR（Fat JAR）は独自のクラスローダーを使用します。

BOOT-INF/
├── classes/          ← アプリケーションクラス
├── lib/              ← 依存ライブラリ（JAR）
│   ├── spring-core-6.1.0.jar
│   └── ...
└── classpath.idx     ← クラスパス順序

org/springframework/boot/loader/
├── JarLauncher.class
├── LaunchedURLClassLoader.class  ← Spring Boot独自
└── ...

LaunchedURLClassLoader

JVM Bootstrap
    └── Platform ClassLoader
        └── Application ClassLoader
            └── LaunchedURLClassLoader  ← Spring Boot
                    ├── BOOT-INF/classes/
                    └── BOOT-INF/lib/*.jar

クラスローダーの確認

@SpringBootApplication
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        ConfigurableApplicationContext ctx =
            SpringApplication.run(Application.class, args);

        // クラスローダー確認
        ClassLoader cl = Application.class.getClassLoader();
        System.out.println("ClassLoader: " + cl.getClass().getName());
        // 出力: org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader
    }
}

トラブルシューティング

ClassNotFoundException vs NoClassDefFoundError

例外	原因	対処
ClassNotFoundException	`Class.forName()` でクラスが見つからない	クラスパスを確認
NoClassDefFoundError	コンパイル時にあったクラスが実行時にない	依存関係を確認

// ClassNotFoundException
try {
    Class.forName("com.example.Missing");
} catch (ClassNotFoundException e) {
    // 動的ロードの失敗
}

// NoClassDefFoundError
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Helper.help();  // コンパイル時にはHelperがあった
    }
}
// → 実行時にHelper.classがないとNoClassDefFoundError

クラスパスの確認

# クラスパスを表示
java -XshowSettings:all -version 2>&1 | grep -A20 "java.class.path"

# 特定のクラスがどこからロードされるか
java -verbose:class -jar app.jar 2>&1 | grep "com.example.MyClass"

JAR内のクラス確認

# JARの内容を確認
jar tf mylib.jar | grep -i "ClassName"

# 複数のJARで同じクラスを検索
for jar in lib/*.jar; do
    if jar tf "$jar" | grep -q "com/example/Target.class"; then
        echo "$jar contains Target.class"
    fi
done

まとめ

項目	ポイント
3フェーズ	Loading → Linking → Initialization
親委譲モデル	親クラスローダーに先に委譲してセキュリティ確保
クラスの一意性	完全修飾名 + ClassLoader で識別
ServiceLoader	META-INF/services でプラグイン機構を実現
遅延ロード	実際に必要になるまでロードしない
Spring Boot	LaunchedURLClassLoaderで Fat JAR をサポート

次のステップ

メモリ管理 - ロードされたクラスがどこに格納されるか
ガベージコレクション - クラスのアンロードとGCの関係

はじめに​

クラスローディングの3つのフェーズ​

各フェーズの詳細​

クラスローダー階層​

親委譲モデル（Parent Delegation Model）​

親委譲の動作​

なぜ親委譲モデルか？​

クラスローダーの確認​

コードで確認​

クラスの一意性​

クラスの同一性​

Spring Bootでの注意点​

カスタムクラスローダー​

実装例​

使用例​

ServiceLoader（SPI）​

サービスプロバイダインターフェース（SPI）とは​

基本的な使い方​

代表的な使用例​

JDBC での例​

Java 9+ モジュールシステムとの統合​

ServiceLoader のベストプラクティス​

注意点​

遅延ロード（Lazy Loading）​

ロードのトリガー​

クラスのアンロード​

アンロードの条件​

Metaspace とクラスアンロード​

Spring Bootとクラスローディング​

Fat JAR のクラスローダー​

LaunchedURLClassLoader​

クラスローダーの確認​

トラブルシューティング​

ClassNotFoundException vs NoClassDefFoundError​

クラスパスの確認​

JAR内のクラス確認​

まとめ​

次のステップ​

はじめに

クラスローディングの3つのフェーズ

各フェーズの詳細

クラスローダー階層

親委譲モデル（Parent Delegation Model）

親委譲の動作

なぜ親委譲モデルか？

クラスローダーの確認

コードで確認

クラスの一意性

クラスの同一性

Spring Bootでの注意点

カスタムクラスローダー

実装例

使用例

ServiceLoader（SPI）

サービスプロバイダインターフェース（SPI）とは

基本的な使い方

代表的な使用例

JDBC での例

Java 9+ モジュールシステムとの統合

ServiceLoader のベストプラクティス

注意点

遅延ロード（Lazy Loading）

ロードのトリガー

クラスのアンロード

アンロードの条件

Metaspace とクラスアンロード

Spring Bootとクラスローディング

Fat JAR のクラスローダー

LaunchedURLClassLoader

クラスローダーの確認

トラブルシューティング

ClassNotFoundException vs NoClassDefFoundError

クラスパスの確認

JAR内のクラス確認

まとめ

次のステップ