詳談java命令的本質邏輯揭秘
前言
在日常編碼中，有瞭ide的支持，我們已經很少直接在命令行中直接執行java XXX命令去啟動一個項目瞭。然而我們有沒有想過，一個簡單的java命令背後究竟做瞭些什麼事情？讓我們看下下面幾個簡單的問題
1.java命令之後可以跟很多參數，那麼這些參數是如何被解析的？為何-version會返回版本號而如果緊跟一個類名則會啟動jvm？
2.為何我們自己定義的入口方法必須滿足如下的簽名？是否還有其他可能性？
public static void main(String[] args) {
}
3.如果我們需要調用自己寫的native方法，必須顯式地通過 System.loadLibrary() 加載動態鏈接庫。而如果我們查看java的基礎類（Thread、Object、Class等，這些類中有非常多的native方法），則會發現其內部並沒有調用 System.loadLibrary() 方法，而是由靜態構造函數中的 registerNatives() 負責註冊其它的natvie方法。
例如：Thread.java
class Thread implements Runnable {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
...
}
不過 registerNatives() 本身也是一個native方法，那它所在動態鏈接庫又是何時被加載的？
問題1和問題2自不必多言，答案一定在java命令中
而對於問題3，因為Thread、Object、Class等等作為jdk的原生類，其相關的動態鏈接庫就是jvm本身（windows系統是 jvm.dll ，linux 系統是libjvm.so，mac 系統是 libjvm.dylib），所以很容易推測其加載動態鏈接庫的過程一定是在jvm的啟動流程中。
今天我們就以上面3個問題為引子，探究一下java命令背後的本質，即jvm的啟動流程
jvm的啟動流程分析
既然需要分析jvm的啟動流程，那麼jdk和hotspot的源碼是不可少的。下載地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8
主入口方法
查看 java.c，jdk 目錄 /src/java.base/share/native/libjli，該目錄會因為不同版本的jdk有不同
入口方法是 JLI_Launch ，當然其中內容很多，我們挑選其中的重點部分來看
int
JLI_Launch(args)
{
...
//創建執行環境
CreateExecutionEnvironment(&argc, &argv,
jrepath, sizeof(jrepath),
jvmpath, sizeof(jvmpath),
jvmcfg, sizeof(jvmcfg));
...
//加載jvm
if (!LoadJavaVM(jvmpath, &ifn)) {
return(6);
}
...
//解析命令行參數，例如-h，-version等等
if (!ParseArguments(&argc, &argv, &mode, &what, &ret, jrepath))
{
return(ret);
}
...
//啟動jvm
return JVMInit(&ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}
那麼接下去就分別查看這幾個主要方法的邏輯
CreateExecutionEnvironment：創建執行環境
這個方法根據操作系統的不同有不同的邏輯，下面以linux系統為例
查看 java_md_solinux.c，jdk 目錄 /src/java.base/unix/native/libjli
CreateExecutionEnvironment（args) {
/**
* 獲取jre的路徑
*/
if (!GetJREPath(jrepath, so_jrepath, JNI_FALSE) ) {
JLI_ReportErrorMessage(JRE_ERROR1);
exit(2);
}
JLI_Snprintf(jvmcfg, so_jvmcfg, "%s%slib%s%sjvm.cfg",
jrepath, FILESEP, FILESEP, FILESEP);
/**
* 讀取jvm的版本，這裡是根據jre的路徑，找到jvm.cfg文件
*/
if (ReadKnownVMs(jvmcfg, JNI_FALSE) < 1) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR7);
exit(1);
}
jvmpath[0] = '\0';
/**
* 檢查jvm的版本，如果命令行中有指定，那麼會采用指定的jvm版本，否則使用默認的
*/
jvmtype = CheckJvmType(pargc, pargv, JNI_FALSE);
if (JLI_StrCmp(jvmtype, "ERROR") == 0) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR9);
exit(4);
}
/**
* 獲取動態鏈接庫的路徑
*/
if (!GetJVMPath(jrepath, jvmtype, jvmpath, so_jvmpath, 0 )) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR8, jvmtype, jvmpath);
exit(4);
}
}
主要有以下幾4個步驟
1.確定jre的路徑
這裡會優先尋找應用程序當前目錄
if (GetApplicationHome(path, pathsize)) {
...
}
if (GetApplicationHomeFromDll(path, pathsize)) {
...
}
2.根據jre拼接 jvm.cfg 的路徑，並讀取可用的jvm配置
一般 jvm.cfg 文件在 /jre/lib 中，其內容如下：
-server KNOWN -client IGNORE
上述2行配置分別對應不同的jvm的版本，例如第一行 -server KNOWN ，那麼在加載jvm動態鏈接庫的時候就會去 /jre/lib/server 目錄中尋找
3.檢查jvm類型
在執行java命令的時候，可以通過命令指定jvm版本，如果沒有指定，那麼就采用jvm.cfg中的第一個jvm版本
i = KnownVMIndex(arg);
if (i >= 0) {
...
}
else if (JLI_StrCCmp(arg, "-XXaltjvm=") == 0 || JLI_StrCCmp(arg, "-J-XXaltjvm=") == 0) {
...
}
4.獲取動態鏈接庫的路徑
根據前面檢查jvm類型的結果，獲取到對應的jvm動態鏈接庫的路徑，全部按照默認的話，在Mac系統中獲取到的lib路徑如下
路徑中的server正是之前在cfg文件中讀取到的-server
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/server/libjvm.dylib
LoadJavaVM：加載jvm
查看 java_md_solinux.c，jdk 目錄 /src/java.base/unix/native/libjli
jboolean
LoadJavaVM(const char *jvmpath, InvocationFunctions *ifn)
{
/**
* 加載動態鏈接庫，這裡調用的是dlopen，而不是普通的open
*/
libjvm = dlopen(jvmpath, RTLD_NOW + RTLD_GLOBAL);
...
/**
* 將jvm中的"JNI_CreateJavaVM"方法鏈接到jdk的CreateJavaVM方法上
*/
ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t)
dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM");
/**
* 調用CreateJavaVM方法
*/
if (ifn->CreateJavaVM == NULL) {
JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());
return JNI_FALSE;
}
/**
* 將jvm中的"JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs"方法鏈接到jdk的GetDefaultJavaVMInitArgs方法上
*/
ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)
dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs");
/**
* 調用GetDefaultJavaVMInitArgs方法
*/
if (ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs == NULL) {
JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());
return JNI_FALSE;
}
/**
* 將jvm中的"JNI_GetCreatedJavaVMs"方法鏈接到jdk的GetCreatedJavaVMs方法上
*/
ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t)
dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");
/**
* 調用GetCreatedJavaVMs方法
*/
if (ifn->GetCreatedJavaVMs == NULL) {
JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());
return JNI_FALSE;
}
}
主要步驟如下：
1.加載動態鏈接庫，也正是我們第一個問題的答案所在
dlopen方法是dynamic link open的縮寫，在打開文件的同時，加載動態鏈接庫。可以通過 man dlopen 命令查看說明
man dlopen dlopen -- load and link a dynamic library or bundle
2.鏈接並調用jvm中的 JNI_CreateJavaVM 、GetDefaultJavaVMInitArgs、GetCreatedJavaVMs
dlsym方法是dynamic link symbol的縮寫，將動態鏈接庫中的方法鏈接到當前方法上
man dlsym dlsym -- get address of a symbol
這3個方法顧名思義，分別是創建jvm、獲取默認的jvm啟動參數、獲取創建完成的jvm。這3個方法的入口在
hotspot 目錄 /src/share/vm/prims/jni.cpp
文件中，有興趣的同學可以自行查看
ParseArguments：解析命令行參數
查看 java.c，jdk 目錄 /src/java.base/share/native/libjli
static jboolean
ParseArguments(int *pargc, char ***pargv,
int *pmode, char **pwhat,
int *pret, const char *jrepath)
{
...
if (JLI_StrCmp(arg, "--version") == 0) {
printVersion = JNI_TRUE;
printTo = USE_STDOUT;
return JNI_TRUE;
}
...
if (JLI_StrCCmp(arg, "-ss") == 0 ||
JLI_StrCCmp(arg, "-oss") == 0 ||
JLI_StrCCmp(arg, "-ms") == 0 ||
JLI_StrCCmp(arg, "-mx") == 0) {
char *tmp = JLI_MemAlloc(JLI_StrLen(arg) + 6);
sprintf(tmp, "-X%s", arg + 1); /* skip '-' */
AddOption(tmp, NULL);
}
...
}
其中的參數一共有2大類。
1.類似於 –version 的參數在解析之後會直接返回
2.類似於 -mx、-mx 的參數則會通過 AddOption 方法添加成為 VM option
/*
* Adds a new VM option with the given name and value.
*/
void
AddOption(char *str, void *info)
{
...
}
JVMInit：啟動jvm
查看 java_md_solinux.c，jdk 目錄 /src/java.base/unix/native/libjli
JVMInit(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,
int argc, char **argv,
int mode, char *what, int ret)
{
//在一個新線程中啟動jvm
return ContinueInNewThread(ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}
在該方法中，會調用 ContinueInNewThread 創建一個新線程啟動jvm
查看 java.c，jdk 目錄 /src/java.base/share/native/libjli
int
ContinueInNewThread(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,
int argc, char **argv,
int mode, char *what, int ret)
{
...
/**
* 創建一個新的線程創建jvm並調用main方法
*/
rslt = ContinueInNewThread0(JavaMain, threadStackSize, (void*)&args);
return (ret != 0) ? ret : rslt;
}
在該方法中，會調用 ContinueInNewThread0 並傳入 JavaMain 入口方法
查看 java_md_solinux.c，jdk 目錄 /src/java.base/unix/native/libjli
/**
* 阻塞當前線程，並在一個新線程中執行main方法
*/
int
ContinueInNewThread0(int (JNICALL *continuation)(void *), jlong stack_size, void * args) {
//創建一個新線程執行傳入的continuation，其實也就是外面傳入的main方法
if (pthread_create(&tid, &attr, (void *(*)(void*))continuation, (void*)args) == 0) {
void * tmp;
//當前線程阻塞
pthread_join(tid, &tmp);
rslt = (int)(intptr_t)tmp;
}
...
}
在該方法中，會創建一個新線程調用傳入的 main 方法，而當前線程則阻塞
因為這裡pthread_join是等待在運行main方法的線程上，所以java程序運行時，如果main線程運行結束瞭，整個進程就會結束，而由main啟動的子線程對整個進程是沒有影響的
查看 java.c，jdk 目錄 /src/java.base/share/native/libjli
int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{
//啟動jvm
if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
exit(1);
}
...
//加載主類
mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);
//找到main方法id
mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
//通過jni回調java代碼中的main方法
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
}
這裡對於main方法的方法名和簽名都是固定判斷的，所以無論是什麼java程序，入口方法必須是 public static void main(String[] args)
到此jvm從準備啟動到最後執行main方法的代碼流程就結束瞭。因為這個流程的方法分散在不同的文件中，會很讓人頭暈，所以我總結瞭成瞭以下結構，方便大傢理解
入口方法：JLI_Launch
|--------->創建執行環境：CreateExecutionEnvironment
| |--------->獲取jre的路徑：GetJREPath
| |--------->讀取jvm配置：ReadKnownVMs
| |--------->檢查jvm類型：CheckJvmType
| |--------->獲取jvm動態鏈接庫路徑：GetJVMPath
|--------->加載jvm動態鏈接庫：LoadJavaVM
| |--------->加載動態鏈接庫：dlopen
| |--------->鏈接jvm方法：dlsym
|--------->解析命令行參數：ParseArguments
| |--------->類似於 --version 的參數在解析之後會直接返回
| |--------->類似於 -mx、-mx 的參數則會通過 AddOption 方法添加成為 VM option
|--------->啟動jvm並執行main方法：JVMInit
|--------->創建一個新線程並執行後續任務：ContinueInNewThread
|--------->創建新線程執行main方法：ContinueInNewThread0(JavaMain)
|--------->創建新線程，用於執行傳入的main方法：pthread_create
|--------->阻塞當前線程：pthread_join
|--------->獲取main方法：JavaMain
|--------->加載主類：LoadMainClass
|--------->根據簽名獲取main方法的id：GetStaticMethodID
|--------->執行main方法：CallStaticVoidMethod
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