java命令中本质逻辑的示例分析

这篇文章将为大家详细讲解有关java命令中本质逻辑的示例分析，小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获。

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

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？

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) {}

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

intJLI_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) {        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);        if (ReadKnownVMs(jvmcfg, JNI_FALSE) < 1) {        JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR7);        exit(1);    }    jvmpath[0] = '\0';        jvmtype = CheckJvmType(pargc, pargv, JNI_FALSE);    if (JLI_StrCmp(jvmtype, "ERROR") == 0) {        JLI_ReportErrorMessage(CFG_ERROR9);        exit(4);    }        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

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)) {    ...}

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

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) {    ...}

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

jbooleanLoadJavaVM(const char *jvmpath, InvocationFunctions *ifn){           libjvm = dlopen(jvmpath, RTLD_NOW + RTLD_GLOBAL);    ...        ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t)        dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM");            if (ifn->CreateJavaVM == NULL) {        JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());        return JNI_FALSE;    }    ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)        dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs");          if (ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs == NULL) {        JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());        return JNI_FALSE;    }    ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t)        dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");          if (ifn->GetCreatedJavaVMs == NULL) {        JLI_ReportErrorMessage(DLL_ERROR2, jvmpath, dlerror());        return JNI_FALSE;    }}

主要步骤如下：

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 dlopendlopen -- load and link a dynamic library or bundle

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 dlsymdlsym -- 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 jbooleanParseArguments(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);       AddOption(tmp, NULL);  }  ...}

其中的参数一共有2大类。

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

voidAddOption(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

intContinueInNewThread(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,                    int argc, char **argv,                    int mode, char *what, int ret){  ...    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

intContinueInNewThread0(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 JNICALLJavaMain(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

关于“java命令中本质逻辑的示例分析”这篇文章就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，使各位可以学到更多知识，如果觉得文章不错，请把它分享出去让更多的人看到。