java命令的本质逻辑揭秘
2021-05-30 10:59 tera 阅读(577) 评论(0) 编辑 收藏 举报前言
在日常编码中，有了ide的支持，我们已经很少直接在命令行中直接执行java XXX命令去启动一个项目了。然而我们有没有想过，一个简单的java命令背后究竟做了些什么事情？让我们看下下面几个简单的问题
1.java命令之后可以跟很多参数，那么这些参数是如何被解析的？为何-version会返回版本号而如果紧跟一个类名则会启动jvm？
2.为何我们自己定义的入口方法必须满足如下的签名？是否还有其他可能性？
public static void main(String[] args) {
}
3.如果我们需要调用自己写的native方法，必须显式地通过 System.loadLibrary() 加载动态链接库。而如果我们查看java的基础类（Thread、Object、Class等，这些类中有非常多的native方法），则会发现其内部并没有调用 System.loadLibrary() 方法，而是由静态构造函数中的 registerNatives() 负责注册其它的natvie方法。
例如：Thread.java
class Thread implements Runnable {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
...
}
不过 registerNatives() 本身也是一个native方法，那它所在动态链接库又是何时被加载的？
问题1和问题2自不必多言，答案一定在java命令中
而对于问题3，因为Thread、Object、Class等等作为jdk的原生类，其相关的动态链接库就是jvm本身（windows系统是 jvm.dll ，linux 系统是libjvm.so，mac 系统是 libjvm.dylib），所以很容易推测其加载动态链接库的过程一定是在jvm的启动流程中。
今天我们就以上面3个问题为引子，探究一下java命令背后的本质，即jvm的启动流程
jvm的启动流程分析
既然需要分析jvm的启动流程，那么jdk和hotspot的源码是不可少的。下载地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8
主入口方法
查看 java.c，jdk 目录 /src/java.base/share/native/libjli，该目录会因为不同版本的jdk有不同
入口方法是 JLI_Launch ，当然其中内容很多，我们挑选其中的重点部分来看
int
JLI_Launch(args)
{
...
//创建执行环境
CreateExecutionEnvironment(&argc, &argv,
jrepath, sizeof(jrepath),
jvmpath, sizeof(jvmpath),
jvmcfg, sizeof(jvmcfg));
...
//加载jvm
if (!LoadJavaVM(jvmpath, &ifn)) {
return(6);
}
...
//解析命令行参数，例如-h，-version等等
if (!ParseArguments(&argc, &argv, &mode, &what, &ret, jrepath))
{
return(ret);
}
...
//启动jvm
return JVMInit(&ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}
那么接下去就分别查看这几个主要方法的逻辑
CreateExecutionEnvironment：创建执行环境
这个方法根据操作系统的不同有不同的逻辑，下面以linux系统为例
查看 java_md_solinux.c，jdk 目录 /src/java.base/unix/native/libjli
CreateExecutionEnvironment（args) {
/**
* 获取jre的路径
*/
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);
/**
* 读取jvm的版本，这里是根据jre的路径，找到jvm.cfg文件
*/
if (ReadKnownVMs(jvmcfg, JNI_FALSE) < 1) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR7);
exit(1);
}
jvmpath[0] = '\0';
/**
* 检查jvm的版本，如果命令行中有指定，那么会采用指定的jvm版本，否则使用默认的
*/
jvmtype = CheckJvmType(pargc, pargv, JNI_FALSE);
if (JLI_StrCmp(jvmtype, "ERROR") == 0) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR9);
exit(4);
}
/**
* 获取动态链接库的路径
*/
if (!GetJVMPath(jrepath, jvmtype, jvmpath, so_jvmpath, 0 )) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR8, jvmtype, jvmpath);
exit(4);
}
}
主要有以下几4个步骤
1.确定jre的路径
这里会优先寻找应用程序当前目录
if (GetApplicationHome(path, pathsize)) {
...
}
if (GetApplicationHomeFromDll(path, pathsize)) {
...
}
2.根据jre拼接 jvm.cfg 的路径，并读取可用的jvm配置
一般 jvm.cfg 文件在 /jre/lib 中，其内容如下：
-server KNOWN
-client IGNORE
上述2行配置分别对应不同的jvm的版本，例如第一行 -server KNOWN ，那么在加载jvm动态链接库的时候就会去 /jre/lib/server 目录中寻找
3.检查jvm类型
在执行java命令的时候，可以通过命令指定jvm版本，如果没有指定，那么就采用jvm.cfg中的第一个jvm版本
i = KnownVMIndex(arg);
if (i >= 0) {
...
}
else if (JLI_StrCCmp(arg, "-XXaltjvm=") == 0 || JLI_StrCCmp(arg, "-J-XXaltjvm=") == 0) {
...
}
4.获取动态链接库的路径
根据前面检查jvm类型的结果，获取到对应的jvm动态链接库的路径，全部按照默认的话，在Mac系统中获取到的lib路径如下
路径中的server正是之前在cfg文件中读取到的-server
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/server/libjvm.dylib
LoadJavaVM：加载jvm
查看 java_md_solinux.c，jdk 目录 /src/java.base/unix/native/libjli
jboolean
LoadJavaVM(const char *jvmpath, InvocationFunctions *ifn)
{
/**
* 加载动态链接库，这里调用的是dlopen，而不是普通的open
*/
libjvm = dlopen(jvmpath, RTLD_NOW + RTLD_GLOBAL);
...
/**
* 将jvm中的"JNI_CreateJavaVM"方法链接到jdk的CreateJavaVM方法上
*/
ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t)
dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM");
/**
* 调用CreateJavaVM方法
*/
if (ifn->CreateJavaVM == NULL) {
JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());
return JNI_FALSE;
}
/**
* 将jvm中的"JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs"方法链接到jdk的GetDefaultJavaVMInitArgs方法上
*/
ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)
dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs");
/**
* 调用GetDefaultJavaVMInitArgs方法
*/
if (ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs == NULL) {
JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());
return JNI_FALSE;
}
/**
* 将jvm中的"JNI_GetCreatedJavaVMs"方法链接到jdk的GetCreatedJavaVMs方法上
*/
ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t)
dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");
/**
* 调用GetCreatedJavaVMs方法
*/
if (ifn->GetCreatedJavaVMs == NULL) {
JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());
return JNI_FALSE;
}
}
主要步骤如下：
1.加载动态链接库，也正是我们第一个问题的答案所在
dlopen方法是dynamic link open的缩写，在打开文件的同时，加载动态链接库。可以通过 man dlopen 命令查看说明
man dlopen
dlopen -- load and link a dynamic library or bundle
2.链接并调用jvm中的 JNI_CreateJavaVM 、GetDefaultJavaVMInitArgs、GetCreatedJavaVMs
dlsym方法是dynamic link symbol的缩写，将动态链接库中的方法链接到当前方法上
man dlsym
dlsym -- get address of a symbol
这3个方法顾名思义，分别是创建jvm、获取默认的jvm启动参数、获取创建完成的jvm。这3个方法的入口在
hotspot 目录 /src/share/vm/prims/jni.cpp
文件中，有兴趣的同学可以自行查看
ParseArguments：解析命令行参数
查看 java.c，jdk 目录 /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);
}
...
}
其中的参数一共有2大类。
1.类似于 --version 的参数在解析之后会直接返回
2.类似于 -mx、-mx 的参数则会通过 AddOption 方法添加成为 VM option
/*
* Adds a new VM option with the given name and value.
*/
void
AddOption(char *str, void *info)
{
...
}
JVMInit：启动jvm
查看 java_md_solinux.c，jdk 目录 /src/java.base/unix/native/libjli
JVMInit(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,
int argc, char **argv,
int mode, char *what, int ret)
{
//在一个新线程中启动jvm
return ContinueInNewThread(ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}
在该方法中，会调用 ContinueInNewThread 创建一个新线程启动jvm
查看 java.c，jdk 目录 /src/java.base/share/native/libjli
int
ContinueInNewThread(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,
int argc, char **argv,
int mode, char *what, int ret)
{
...
/**
* 创建一个新的线程创建jvm并调用main方法
*/
rslt = ContinueInNewThread0(JavaMain, threadStackSize, (void*)&args);
return (ret != 0) ? ret : rslt;
}
在该方法中，会调用 ContinueInNewThread0 并传入 JavaMain 入口方法
查看 java_md_solinux.c，jdk 目录 /src/java.base/unix/native/libjli
/**
* 阻塞当前线程，并在一个新线程中执行main方法
*/
int
ContinueInNewThread0(int (JNICALL *continuation)(void *), jlong stack_size, void * args) {
//创建一个新线程执行传入的continuation，其实也就是外面传入的main方法
if (pthread_create(&tid, &attr, (void *(*)(void*))continuation, (void*)args) == 0) {
void * tmp;
//当前线程阻塞
pthread_join(tid, &tmp);
rslt = (int)(intptr_t)tmp;
}
...
}
在该方法中，会创建一个新线程调用传入的 main 方法，而当前线程则阻塞
因为这里pthread_join是等待在运行main方法的线程上，所以java程序运行时，如果main线程运行结束了，整个进程就会结束，而由main启动的子线程对整个进程是没有影响的
查看 java.c，jdk 目录 /src/java.base/share/native/libjli
int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{
//启动jvm
if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
exit(1);
}
...
//加载主类
mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);
//找到main方法id
mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
//通过jni回调java代码中的main方法
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
}
这里对于main方法的方法名和签名都是固定判断的，所以无论是什么java程序，入口方法必须是 public static void main(String[] args)
到此jvm从准备启动到最后执行main方法的代码流程就结束了。因为这个流程的方法分散在不同的文件中，会很让人头晕，所以我总结了成了以下结构，方便大家理解
入口方法：JLI_Launch
|--------->创建执行环境：CreateExecutionEnvironment
| |--------->获取jre的路径：GetJREPath
| |--------->读取jvm配置：ReadKnownVMs
| |--------->检查jvm类型：CheckJvmType
| |--------->获取jvm动态链接库路径：GetJVMPath
|--------->加载jvm动态链接库：LoadJavaVM
| |--------->加载动态链接库：dlopen
| |--------->链接jvm方法：dlsym
|--------->解析命令行参数：ParseArguments
| |--------->类似于 --version 的参数在解析之后会直接返回
| |--------->类似于 -mx、-mx 的参数则会通过 AddOption 方法添加成为 VM option
|--------->启动jvm并执行main方法：JVMInit
|--------->创建一个新线程并执行后续任务：ContinueInNewThread
|--------->创建新线程执行main方法：ContinueInNewThread0(JavaMain)
|--------->创建新线程，用于执行传入的main方法：pthread_create
|--------->阻塞当前线程：pthread_join
|--------->获取main方法：JavaMain
|--------->加载主类：LoadMainClass
|--------->根据签名获取main方法的id：GetStaticMethodID
|--------->执行main方法：CallStaticVoidMethod
