關(guān)于java命令的本質(zhì)邏輯揭秘過程
前言
在日常編碼中，有了ide的支持，我們已經(jīng)很少直接在命令行中直接執(zhí)行java XXX命令去啟動一個(gè)項(xiàng)目了。然而我們有沒有想過，一個(gè)簡單的java命令背后究竟做了些什么事情？讓我們看下下面幾個(gè)簡單的問題
1.java命令之后可以跟很多參數(shù)，那么這些參數(shù)是如何被解析的？為何-version會返回版本號而如果緊跟一個(gè)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(diào)用自己寫的native方法，必須顯式地通過 System.loadLibrary() 加載動態(tài)鏈接庫。而如果我們查看java的基礎(chǔ)類（Thread、Object、Class等，這些類中有非常多的native方法），則會發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部并沒有調(diào)用 System.loadLibrary() 方法，而是由靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)中的 registerNatives() 負(fù)責(zé)注冊其它的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(gè)native方法，那它所在動態(tài)鏈接庫又是何時(shí)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
而對于問題3，因?yàn)門hread、Object、Class等等作為jdk的原生類，其相關(guān)的動態(tài)鏈接庫就是jvm本身（windows系統(tǒng)是 jvm.dll ，linux 系統(tǒng)是libjvm.so，mac 系統(tǒng)是 libjvm.dylib），所以很容易推測其加載動態(tài)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(gè)問題為引子，探究一下java命令背后的本質(zhì)，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，那么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?yàn)椴煌姹镜膉dk有不同
入口方法是 JLI_Launch ，當(dāng)然其中內(nèi)容很多，我們挑選其中的重點(diǎn)部分來看
int
JLI_Launch(args)
{
...
//創(chuàng)建執(zhí)行環(huán)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(shù)，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);
}
那么接下去就分別查看這幾個(gè)主要方法的邏輯
CreateExecutionEnvironment：創(chuàng)建執(zhí)行環(huán)境
這個(gè)方法根據(jù)操作系統(tǒng)的不同有不同的邏輯，下面以linux系統(tǒng)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，這里是根據(jù)jre的路徑，找到j(luò)vm.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，那么會采用指定的jvm版本，否則使用默認(rèn)的
*/
jvmtype = CheckJvmType(pargc, pargv, JNI_FALSE);
if (JLI_StrCmp(jvmtype, "ERROR") == 0) {
JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR9);
exit(4);
}
/**
* 獲取動態(tài)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(gè)步驟
1.確定jre的路徑
這里會優(yōu)先尋找應(yīng)用程序當(dāng)前目錄
if (GetApplicationHome(path, pathsize)) {
...
}
if (GetApplicationHomeFromDll(path, pathsize)) {
...
}
2.根據(jù)jre拼接 jvm.cfg 的路徑，并讀取可用的jvm配置
一般 jvm.cfg 文件在 /jre/lib 中，其內(nèi)容如下：
-server KNOWN -client IGNORE
上述2行配置分別對應(yīng)不同的jvm的版本，例如第一行 -server KNOWN ，那么在加載jvm動態(tài)鏈接庫的時(shí)候就會去 /jre/lib/server 目錄中尋找
3.檢查jvm類型
在執(zhí)行java命令的時(shí)候，可以通過命令指定jvm版本，如果沒有指定，那么就采用jvm.cfg中的第一個(gè)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(tài)鏈接庫的路徑
根據(jù)前面檢查jvm類型的結(jié)果，獲取到對應(yīng)的jvm動態(tài)鏈接庫的路徑，全部按照默認(rèn)的話，在Mac系統(tǒng)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(tài)鏈接庫，這里調(diào)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j(luò)dk的CreateJavaVM方法上
*/
ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t)
dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM");
/**
* 調(diào)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j(luò)dk的GetDefaultJavaVMInitArgs方法上
*/
ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)
dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs");
/**
* 調(diào)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j(luò)dk的GetCreatedJavaVMs方法上
*/
ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t)
dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");
/**
* 調(diào)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(tài)鏈接庫，也正是我們第一個(gè)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(shí)，加載動態(tài)鏈接庫?？梢酝ㄟ^ man dlopen 命令查看說明
man dlopen dlopen -- load and link a dynamic library or bundle
2.鏈接并調(diào)用jvm中的 JNI_CreateJavaVM 、GetDefaultJavaVMInitArgs、GetCreatedJavaVMs
dlsym方法是dynamic link symbol的縮寫，將動態(tài)鏈接庫中的方法鏈接到當(dāng)前方法上
man dlsym dlsym -- get address of a symbol
這3個(gè)方法顧名思義，分別是創(chuàng)建jvm、獲取默認(rèn)的jvm啟動參數(shù)、獲取創(chuàng)建完成的jvm。這3個(gè)方法的入口在
hotspot 目錄 /src/share/vm/prims/jni.cpp
文件中，有興趣的同學(xué)可以自行查看
ParseArguments：解析命令行參數(shù)
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(shù)一共有2大類。
1.類似于 --version 的參數(shù)在解析之后會直接返回
2.類似于 -mx、-mx 的參數(shù)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(gè)新線程中啟動jvm
return ContinueInNewThread(ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}
在該方法中，會調(diào)用 ContinueInNewThread 創(chuàng)建一個(gè)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(chuàng)建一個(gè)新的線程創(chuàng)建jvm并調(diào)用main方法
*/
rslt = ContinueInNewThread0(JavaMain, threadStackSize, (void*)&args);
return (ret != 0) ? ret : rslt;
}
在該方法中，會調(diào)用 ContinueInNewThread0 并傳入 JavaMain 入口方法
查看 java_md_solinux.c，jdk 目錄 /src/java.base/unix/native/libjli
/**
* 阻塞當(dāng)前線程，并在一個(gè)新線程中執(zhí)行main方法
*/
int
ContinueInNewThread0(int (JNICALL *continuation)(void *), jlong stack_size, void * args) {
//創(chuàng)建一個(gè)新線程執(zhí)行傳入的continuation，其實(shí)也就是外面?zhèn)魅氲膍ain方法
if (pthread_create(&tid, &attr, (void *(*)(void*))continuation, (void*)args) == 0) {
void * tmp;
//當(dāng)前線程阻塞
pthread_join(tid, &tmp);
rslt = (int)(intptr_t)tmp;
}
...
}
在該方法中，會創(chuàng)建一個(gè)新線程調(diào)用傳入的 main 方法，而當(dāng)前線程則阻塞
因?yàn)檫@里pthread_join是等待在運(yùn)行main方法的線程上，所以java程序運(yùn)行時(shí)，如果main線程運(yùn)行結(jié)束了，整個(gè)進(jìn)程就會結(jié)束，而由main啟動的子線程對整個(gè)進(jìn)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(diào)java代碼中的main方法
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
}
這里對于main方法的方法名和簽名都是固定判斷的，所以無論是什么java程序，入口方法必須是 public static void main(String[] args)
到此jvm從準(zhǔn)備啟動到最后執(zhí)行main方法的代碼流程就結(jié)束了。因?yàn)檫@個(gè)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(jié)了成了以下結(jié)構(gòu)，方便大家理解
入口方法：JLI_Launch
|--------->創(chuàng)建執(zhí)行環(huán)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(tài)鏈接庫路徑：GetJVMPath
|--------->加載jvm動態(tài)鏈接庫：LoadJavaVM
| |--------->加載動態(tài)鏈接庫：dlopen
| |--------->鏈接jvm方法：dlsym
|--------->解析命令行參數(shù)：ParseArguments
| |--------->類似于 --version 的參數(shù)在解析之后會直接返回
| |--------->類似于 -mx、-mx 的參數(shù)則會通過 AddOption 方法添加成為 VM option
|--------->啟動jvm并執(zhí)行main方法：JVMInit
|--------->創(chuàng)建一個(gè)新線程并執(zhí)行后續(xù)任務(wù)：ContinueInNewThread
|--------->創(chuàng)建新線程執(zhí)行main方法：ContinueInNewThread0(JavaMain)
|--------->創(chuàng)建新線程，用于執(zhí)行傳入的main方法：pthread_create
|--------->阻塞當(dāng)前線程：pthread_join
|--------->獲取main方法：JavaMain
|--------->加載主類：LoadMainClass
|--------->根據(jù)簽名獲取main方法的id：GetStaticMethodID
|--------->執(zhí)行main方法：CallStaticVoidMethod
總結(jié)
到此這篇關(guān)于關(guān)于java命令的本質(zhì)邏輯揭秘的文章就介紹到這了,更多相關(guān)java命令本質(zhì)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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