java命令的本质逻辑揭秘

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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); }