SpringBoot应用jar包启动原理详解

1、maven打包

Spring Boot项目的pom.xml文件中默认使用spring-boot-maven-plugin插件进行打包：

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

在执行完maven clean package之后，会生成来个jar相关文件：

• test-0.0.1-SNAPSHOT.jar
• test-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original

2、Jar包目录结构

以笔者的test-0.0.1-SNAPSHOT.jar为例，来看一下jar的目录结构，其中都包含哪些目录和文件？

可以概述为：

spring-boot-learn-0.0.1-SNAPSHOT
├── META-INF
│ └── MANIFEST.MF
├── BOOT-INF
│ ├── classes
│ │ └── 应用程序
│ └── lib
│ └── 第三方依赖jar
└── org
└── springframework
└── boot
└── loader
└── SpringBoot启动程序

其中主要包括三大目录：META-INF、BOOT-INF、org。

1）META-INF内容

META-INF记录了相关jar包的基础信息，包括：入口程序。具体内容如下：

Manifest-Version: 1.0
Spring-Boot-Classpath-Index: BOOT-INF/classpath.idx
Implementation-Title: tms-start
Implementation-Version: 0.0.1-SNAPSHOT
Spring-Boot-Layers-Index: BOOT-INF/layers.idx
Start-Class: com.saint.StartApplication
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/
Build-jdk-Spec: 1.8
Spring-Boot-Version: 2.4.5
Created-By: Maven Jar Plugin 3.2.0
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

• Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher，即jar启动的Main函数；
• Start-Class是com.saint.StartApplication，即我们自己SpringBoot项目的启动类；也是下文提到的项目的引导类。

2）BOOT-INF内容

• BOOT-INF/classes目录：存放应用编译后的class文件源码；
• BOOT-INF/lib目录：存放应用依赖的所有三方jar包文件；

3）org内容

org目录下存放着所有SpringBoot相关的class文件，比如：JarLauncher、LaunchedURLClassLoader。

3、可执行Jar（JarLauncher）

从jar包内META-INF/MANIFEST.MF文件中的Main-Class属性值为org.springframework.boot.loader.JarLauncher，可以看出main函数是JarLauncher，即：SpringBoot应用中的Main-class属性指向的class为org.springframework.boot.loader.JarLauncher。

其实吧，主要是 Java官方文档规定：java -jar命令引导的具体启动类必须配置在MANIFEST.MF资源的Main-class属性中；又根据“JAR文件规范”，MANIFEST.MF资源必须存放在/META-INF/目录下。所以main函数才是JarLauncher。

JarLauncher类继承图如下：

从JarLauncher的类注释我们看出JarLauncher的作用：

• 加载内部/BOOT-INF/lib下的所有三方依赖jar；
• 加载内部/BOOT-INF/classes下的所有应用class；

1）JarLauncher的运行步骤？

• 在解压jar包后的根目录下运行 java org.springframework.boot.loader.JarLauncher。项目引导类（META-INF/MANIFEST.MF文件中的Start-Class属性）被JarLauncher加载并执行。
• 如果直接运行Start-Class（示例的StartApplication）类，会报错ClassNotFoundException。
• Spring Boot依赖的JAR文件均存放在BOOT-INF/lib目录下。JarLauncher会将这些JAR文件作为Start-Class的类库依赖。

这也是为什么JarLauncher能够引导，而直接运行Start-Class却不行。

2）JarLauncher实现原理？

public class JarLauncher extends ExecutableArcHiveLauncher {

	static final String BOOT_INF_CLASSES = "BOOT-INF/classes/";

	static final String BOOT_INF_LIB = "BOOT-INF/lib/";

	public JarLauncher() {
	}

	protected JarLauncher(Archive archive) {
		super(archive);
	}

	@Override
	protected boolean isNestedArchive(Archive.Entry entry) {
		if (entry.isDirectory()) {
			return entry.getName().equals(BOOT_INF_CLASSES);
		}
		return entry.getName().startsWith(BOOT_INF_LIB);
	}

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		new JarLauncher().launch(args);
	}

}

JarLauncher#main()中新建了JarLauncher并调用父类Launcher中的launch()方法启动程序；

• BOOT_INF_CLASSES、BOOT_INF_LIB变量对应BOOT-INF/classes和lib路径；
• isNestedArchive(Archinve.Entry entry)方法用于判断FAT JAR资源的相对路径是否为nestedArchive嵌套文档。进而决定这些FAT JAR是否会被launch。 当方法返回false时，说明FAT JAR被解压至文件目录。

1> Archive的概念

archive即归档文件，这个概念在linux下比较常见；通常就是一个tar/zip格式的压缩包；而jar正是zip格式的。

SpringBoot抽象了Archive的概念，一个Archive可以是jar（JarFileArchive），也可以是文件目录（ExplodedArchive）；这样也就统一了访问资源的逻辑层；

public interface Archive extends Iterable<Archive.Entry>, AutoCloseable {
    ....
}

Archive继承自Archive.Entry，Archive.Entry有两种实现：

JarFileArchive.JarFileEntry --> 基于java.util.jar.JarEntry实现，表示FAT JAR嵌入资源。

ExplodedArchive.FileEntry --> 基于文件系统实现；

两者的主要差别是ExplodedArchive相比于JarFileArchive多了一个获取文件的getFile()方法；

public File getFile() {
    return this.file;
}

也就是说一个在jar包环境下寻找资源，一个在文件夹目录下寻找资源；

所以从实现层面证明了JarLauncher支持JAR和文件系统两种启动方式。

当执行java -jar命令时，将调用/META-INF /MANIFEST.MF文件的Main-Class属性的main()方法，实际上调用的是JarLauncher#launch(args)方法；

3） Launcher#launch(args)方法

protected void launch(String[] args) throws Exception {
    if (!isExploded()) {
        // phase1：注册jar URL处理器
        JarFile.reGISterUrlProtocolHandler();
    }
    // phase2：创建ClassLoader
    ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchivesIterator());
    String jarMode = System.getProperty("jarmode");
    String launchClass = (jarMode != null && !jarMode.isEmpty()) ? JAR_MODE_LAUNCHER : getMainClass();
    // phase3：调用实际的引导类launch
    launch(args, launchClass, classLoader);
}

launch()方法分三步：

• 注册jar URL处理器；
• 为所有的Archive创建可以加载jar in jar目录的ClassLoader；
• 调用实际的引导类（Start-Class）；

1> phase1 注册jar URL处理器

private static final String PROTOCOL_HANDLER = "java.protocol.handler.pkgs";

	private static final String HANDLERS_PACKAGE = "org.springframework.boot.loader";

public static void registerUrlProtocolHandler() {
    String handlers = System.getProperty(PROTOCOL_HANDLER, "");
    System.setProperty(PROTOCOL_HANDLER, ("".equals(handlers) ? HANDLERS_PACKAGE
                                          : handlers + "|" + HANDLERS_PACKAGE));
    // 重置缓存的UrlHandlers;
    resetCachedUrlHandlers();
}

private static void resetCachedUrlHandlers() {
    try {
        // 由URL类实现：通过URL.setURLStreamHandlerFactory()获得URLStreamHandler。
        URL.setURLStreamHandlerFactory(null);
    }
    catch (Error ex) {
        // Ignore
    }
}

JarFile#resetCachedUrlHandlers()方法利用java.net.URLStreamHandler扩展机制，实现由URL#getURLStreamHandler(String)提供。

URL#getURLStreamHandler(String protocol)方法：

首先，URL的关联协议（Protocol）对应一种URLStreamHandler实现类。

JDK内建了一些协议的实现，这些实现均存放在sun.net.www.protocol包下，并且类名必须为Handler，其类全名模式为sun.net.www.protocol.${protocol}.Handler（包名前缀.协议名.Handler），其中${protocol}表示协议名。

如果需要扩展，则必须继承URLStreamHandler类，通过配置Java系统属性java.protocol.handler.pkgs，追加URLStreamHandler实现类的package，多个package以“|”分割。

所以对于SpringBoot的JarFile，registerURLProtocolHandler()方法将package org.springframework.boot.loader追加到java系统属性java.protocol.handler.pkgs中。

也就是说，org.springframework.boot.loader包下存在协议对应的Handler类，即org.springframework.boot.loader.jar.Handler；并且按照类名模式，其实现协议为JAR。

另外：在URL#getURLStreamHandler()方法中，处理器先读取Java系统属性java.protocol.handler.pkgs，无论其是否存在，继续读取sun.net.www.protocol包；所以JDK内建URLStreamHandler实现是兜底的。

为什么SpringBoot要选择覆盖URLStreamHandler？

• Spring BOOT FAT JAR除包含传统Java Jar资源之外，还包含依赖的JAR文件；即存在jar in jar的情况；
• 默认情况下，JDK提供的ClassLoader只能识别jar中的class文件以及加载classpath下的其他jar包中的class文件，对于jar in jar的包无法加载；
• 当SpringBoot FAT JAR被java -jar命令引导时，其内部的JAR文件无法被内嵌实现sun.net.www.protocol.jar.Handler当做class Path，故需要定义了一套URLStreamHandler实现类和JarURLConnection实现类，用来加载jar in jar包的class类文件；

2> phase2 创建可以加载jar in jar目录的ClassLoader

获取所有的Archive，然后针对每个Archive分别创建ClassLoader；

ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchivesIterator());


protected Iterator<Archive> getClassPathArchivesIterator() throws Exception {
    return getClassPathArchives().iterator();
}


protected ClassLoader createClassLoader(List<Archive> archives) throws Exception {
    List<URL> urls = new ArrayList<>(archives.size());
    for (Archive archive : archives) {
        urls.add(archive.getUrl());
    }
    return createClassLoader(urls.toArray(new URL[0]));
}

3> phase3 调用实际的引导类（Start-Class）

// case1： 通过ExecutableArchiveLauncher#getMainClass()获取MainClass
String launchClass = (jarMode != null && !jarMode.isEmpty()) ? JAR_MODE_LAUNCHER : getMainClass();
// 2、运行实际的引导类
launch(args, launchClass, classLoader);

对于phase3，大致可以分为两步：

• 首先通过ExecutableArchiveLauncher#getMainClass()获取mainClass（即：/META-INF/MANIFEST.MF资源中的Start-Class属性）；
• 利用反射获取mainClass类中的main(Stirng[])方法并调用；

<1> 获取mainClass：

Start-Class属性来自/META_INF/MANIFEST.MF资源中。Launcher的子类JarLauncher或WarLauncher没有实现getMainClass()方法。所以无论是Jar还是War，读取的SpringBoot启动类均来自此属性。

<2> 执行mainClass的main()方法：

获取mainClass之后，MainMethodRunner#run()方法利用反射获取mainClass类中的main(Stirng[])方法并调用。

运行JarLauncher实际上是在同进程、同线程内调用Start-Class类的main(Stirng[])方法，并且在调用前准备好Class Path。

4、WarLauncher

WarLauncher是可执行WAR的启动器。

WarLauncher与JarLauncher的差异很小，主要区别在于项目文件和JAR Class Path路径的不同。

• 相比于FAT Jar的目录，WAR增加了WEB-INF/lib-provided，并且该目录仅存放<scope>provided</scope>的JAR文件。
• 传统的Servlet应用的Class Path路径仅关注WEB-INF/classes/和WEB-INF/lib/目录，因此WEB-INF/lib-provided/中的JAR将被Servlet忽略。

好处：打包后的WAR文件能够在Servlet容器中兼容运行。

所以JarLauncher和WarLauncher并无本质区别。

5、总结

Spring Boot应用Jar/War的启动流程：

Spring Boot应用打包之后，生成一个Fat jar，包含了应用依赖的所有三方jar包和SpringBoot Loader相关的类。

Fat jar的启动Main函数是JarLauncher，它负责创建一个LaunchedURLClassLoader来加载BOOT-INF/classes目录以及/BOOT-INF/lib下面的jar，并利用反射获取mainClass类中的main(Stirng[])方法并调用。即：运行JarLauncher实际上是在同进程、同线程内调用Start-Class类的main(Stirng[])方法，并且在调用前准备好Class Path。

其他点：

SpringBoot通过扩展JarFile、JarURLConnection及URLStreamHandler，实现了jar in jar中资源的加载。

SpringBoot通过扩展URLClassLoader --> LauncherURLClassLoader，实现了jar in jar中class文件的加载。

WarLauncher相比JarLauncher只是多加载WEB-INF/lib-provided目录下的jar文件。

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