SpringBoot应用jar包启动原理详解
作者:秃头爱健身
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()); /** * 获取所有的Archive(包含jar in jar的情况) */ protected Iterator<Archive> getClassPathArchivesIterator() throws Exception { return getClassPathArchives().iterator(); } /** * 针对每个Archive分别创建ClassLoader */ 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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