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能獨立運行的jar文件

在開發springboot應用時，通過java -jar命令啟動應用是常用的方式，今天就來一起了解這個簡單操作背後的技術；

開發demo

開發一個springboot應用作為本次研究的對象，對應的版本信息如下：

• JDK：1.8.0_211
• springboot：2.3.1.RELEASE
• maven：3.6.0

接下來開發springboot應用，這個應用異常簡單：

1. springboot應用名為springbootstarterdemo，pom.xml文件內容：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.3.1.RELEASE</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>
    <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
    <artifactId>springbootstarterdemo</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>springbootstarterdemo</name>
    <description>Demo project for Spring Boot</description>
    <properties>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>
    </dependencies>
    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

1. 只有一個java類，裏面有個http接口：

package com.bolingcavalry.springbootstarterdemo;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.util.Date;

@SpringBootApplication
@RestController
public class SpringbootstarterdemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringbootstarterdemoApplication.class, args);
    }
    @RequestMapping(value = "/hello")
    public String hello(){
        return "hello " + new Date();
    }
}

1. 編碼完成，在pom.xml所在目錄執行命令

mvn clean package -U -DskipTests

1. 構建成功后，在target目錄下得到文件springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar
2. 就是這個springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar，此時執行java -jar springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar就能啟動應用，如下圖：

接下來就用這個springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar來分析jar文件能夠獨立啟動的原因；

java -jar做了什麼

• 先要弄清楚java -jar命令做了什麼，在oracle官網找到了該命令的描述：
  
  If the -jar option is specified, its argument is the name of the JAR file containing class and resource files for the application. The startup class must be indicated by the Main-Class manifest header in its source code.
  

• 再次秀出我蹩腳的英文翻譯：

1. 使用-jar參數時，後面的參數是的jar文件名(本例中是springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar)；
2. 該jar文件中包含的是class和資源文件；
3. 在manifest文件中有Main-Class的定義；
4. Main-Class的源碼中指定了整個應用的啟動類；(in its source code)

• 小結一下：
  java -jar會去找jar中的manifest文件，在那裡面找到真正的啟動類；

探查springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar

1. springbootstarterdemo-0.0.1-SNAPSHOT.jar是前面的springboot工程的構建結果，是個壓縮包，用常見的壓縮工具就能解壓，我這裏的環境是MacBook Pro，用unzip即可解壓；

2. 解壓後有很多內容，我們先關注manifest相關的，下圖紅框中就是manifest文件：

3. 打開上圖紅框中的文件，內容如下：

Spring-Boot-Classpath-Index: BOOT-INF/classpath.idx
Implementation-Title: springbootstarterdemo
Implementation-Version: 0.0.1-SNAPSHOT
Start-Class: com.bolingcavalry.springbootstarterdemo.Springbootstarter
 demoApplication
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/
Build-Jdk-Spec: 1.8
Spring-Boot-Version: 2.3.1.RELEASE
Created-By: Maven Jar Plugin 3.2.0
Implementation-Vendor: Pivotal Software, Inc.
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

1. 在上述內容可見Main-Class的值org.springframework.boot.loader.JarLauncher，這個和前面的java官方文檔對應上了，正是這個JarLauncher類的代碼中指定了真正的啟動類；

疑惑出現

1. 在MANIFEST.MF文件中有這麼一行內容：

Start-Class: com.bolingcavalry.springbootstarterdemo.Springbootstarter
 demoApplication

1. 前面的java官方文檔中，只提到過Main-Class ，並沒有提到Start-Class；
2. Start-Class的值是SpringbootstarterdemoApplication，這是我們的java代碼中的唯一類，也只真正的應用啟動類；
3. 所以問題就來了：理論上看，執行java -jar命令時JarLauncher類會被執行，但實際上是SpringbootstarterdemoApplication被執行了，這其中發生了什麼呢？

猜測

動手之前先猜一下，個人覺得原因應該如下：

1. java -jar命令會啟動JarLauncher；
2. Start-Class是給JarLauncher用的；
3. JarLauncher根據Start-Class找到了SpringbootstarterdemoApplication，然後執行它；

分析JarLauncher

1. 先下載SpringBoot源碼，我下載的是2.3.1版本，地址：https://github.com/spring-projects/spring-boot/releases/tag/v2.3.1.RELEASE

2. JarLauncher所在的工程是spring-boot-loader，先弄明白JarLauncher的繼承關係，如下圖，可見JarLauncher繼承自ExecutableArchiveLauncher，而ExecutableArchiveLauncher的父類Launcher位於最頂層，是個抽象類：

3. java -jar執行的是JarLauncher的main方法，如下，會實例化一個JarLauncher對象，然後執行其launch方法，並且將所有入參都帶入：

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

1. 上面的launch方法在父類Launcher中：

protected void launch(String[] args) throws Exception {
    // 將jar解壓后運行的方式叫做exploded mode
    // 如果是exploded mode，就不能支持通過URL加載jar
    // 如果不是exploded mode,就可以通過URL加載jar
	if (!isExploded()) {
	    // 如果允許通過URL加載jar，就在此註冊對應的處理類
		JarFile.registerUrlProtocolHandler();
	}
	// 創建classLoader
	ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchivesIterator());
	// jarmode是創建docker鏡像時用到的參數，使用該參數是為了生成帶有多個layer信息的鏡像
	// 這裏暫時不關注jarmode
	String jarMode = System.getProperty("jarmode");
	//如果沒有jarmode參數，launchClass的值就來自getMainClass()返回
	String launchClass = (jarMode != null && !jarMode.isEmpty()) ? JAR_MODE_LAUNCHER : getMainClass();
	launch(args, launchClass, classLoader);
}

1. 可見要重點關注的是getMainClass()方法，在看這個方法之前，我們先去關注一個重要的成員變量archive，是JarLauncher的父類ExecutableArchiveLauncher的archive，如下可見，該變量又來自方法createArchive：

public ExecutableArchiveLauncher() {
		try {
			this.archive = createArchive();
			this.classPathIndex = getClassPathIndex(this.archive);
		}
		catch (Exception ex) {
			throw new IllegalStateException(ex);
		}
	}

1. 方法來自Launcher.createArchive，如下所示，可見成員變量archive實際上是個JarFileArchive對象：

protected final Archive createArchive() throws Exception {
		ProtectionDomain protectionDomain = getClass().getProtectionDomain();
		CodeSource codeSource = protectionDomain.getCodeSource();
		URI location = (codeSource != null) ? codeSource.getLocation().toURI() : null;
		String path = (location != null) ? location.getSchemeSpecificPart() : null;
		if (path == null) {
			throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive");
		}
		File root = new File(path);
		if (!root.exists()) {
			throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive from " + root);
		}
		return (root.isDirectory() ? new ExplodedArchive(root) : new JarFileArchive(root));
	}

1. 現在回到getMainClass()方法，可見his.archive.getManifest方法返回的是META-INF/MANIFEST.MF文件的內容，然後getValue(START_CLASS_ATTRIBUTE)方法實際上就是從META-INF/MANIFEST.MF中取得了Start-Class的屬性：

@Override
	protected String getMainClass() throws Exception {
	    // 對應的是JarFileArchive.getManifest方法，
	    // 進去后發現對應的就是JarFile.getManifest方法，
	    // JarFile.getManifest對應的就是META-INF/MANIFEST.MF文件的內容
		Manifest manifest = this.archive.getManifest();
		String mainClass = null;
		if (manifest != null) {
		    // 對應的是META-INF/MANIFEST.MF文件中的Start-Class的屬性
			mainClass = manifest.getMainAttributes().getValue(START_CLASS_ATTRIBUTE);
		}
		if (mainClass == null) {
			throw new IllegalStateException("No 'Start-Class' manifest entry specified in " + this);
		}
		return mainClass;
	}

1. 從上述分析可知：getMainClass()方法返回的是META-INF/MANIFEST.MF中取得了Start-Class的屬性com.bolingcavalry.springbootstarterdemo.SpringbootstarterdemoApplication，再次回到launch方法中，可見最終運行的代碼是launch(args, launchClass, classLoader)，它的launchClass參數就是com.bolingcavalry.springbootstarterdemo.SpringbootstarterdemoApplication：

protected void launch(String[] args) throws Exception {
		if (!isExploded()) {
			JarFile.registerUrlProtocolHandler();
		}
		ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchivesIterator());
		String jarMode = System.getProperty("jarmode");
		// 這裏的launchClass等於"com.bolingcavalry.springbootstarterdemo.SpringbootstarterdemoApplication"
		String launchClass = (jarMode != null && !jarMode.isEmpty()) ? JAR_MODE_LAUNCHER : getMainClass();
		// 這裏就是啟動SpringbootstarterdemoApplication的地方
		launch(args, launchClass, classLoader);
	}

1. 展開launch(args, launchClass, classLoader)，最終查到了MainMethodRunner類：

public class MainMethodRunner {

	private final String mainClassName;

	private final String[] args;

	/**
	 * Create a new {@link MainMethodRunner} instance.
	 * @param mainClass the main class
	 * @param args incoming arguments
	 */
	public MainMethodRunner(String mainClass, String[] args) {
	    // mainClassName被賦值為"com.bolingcavalry.springbootstarterdemo.SpringbootstarterdemoApplication"
		this.mainClassName = mainClass;
		this.args = (args != null) ? args.clone() : null;
	}

	public void run() throws Exception {
	    // 得到SpringbootstarterdemoApplication的Class對象
		Class<?> mainClass = Class.forName(this.mainClassName, false, Thread.currentThread().getContextClassLoader());
		// 得到SpringbootstarterdemoApplication的main方法對象
		Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);
		mainMethod.setAccessible(true);
		// 通過反射執行main方法
		mainMethod.invoke(null, new Object[] { this.args });
	}
}

終於，真相大白了；

小結

最後盡可能簡短做個小結，先看jar是如何產生的，如下圖，maven插件生成的jar文件中，有常見的class、jar，也有符合java規範的MANIFEST.MF文件，並且，還在MANIFEST.MF文件中額外生成了名為Start-Class的配置，這裏面是我們編寫的應用啟動類SpringbootstarterdemoApplication：

啟動類是JarLauncher，它是如何與MANIFEST.MF文件關聯的呢？從下圖可以看出，最終是通過JarFile類的成員變量manifestSupplier關聯上的：

再來看看關鍵代碼的執行情況，如下圖：

至此，SpringBoot的jar獨立運行的基本原理已經清楚，探究的過程中，除了熟悉關鍵代碼流程，還對jar中的文件有了更多了解，如果您正在學習SpringBoot，希望本文能給您一些參考；

官方文檔

1. 最後附上SpringBoot官方文檔，可以看到Start-Class描述信息：

2. 上述文檔明確提到：Start-Class定義的是實際的啟動類，此時的您應該對一切都瞭然於胸，產生本該如此的感慨；

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