2021-06-24 17:30 已编辑中国科学院大学 Java

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java命令的本质逻辑揭秘

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