java源代码分析----jvm.dll装载过程

简述
众所周知java.exe是java class文件的执行程序，但实际上java.exe程序只是
一个执行的外壳，它会装载jvm.dll（windows下，以下皆以windows平台为例，
linux下和solaris下其实类似，为：libjvm.so），这个动态连接库才是java
虚拟机的实际操作处理所在。本文探究java.exe程序是如何查找和装载jvm.dll
动态库，并调用它进行class文件执行处理的。

源代码
本文分析之代码，《JavaTM 2 SDK, Standard Edition, v1.4.2 fcs
Community Source Release》，可从sun官方网站下载，主要分析的源代码为：
j2se/src/share/bin/java.c
j2se/src/windows/bin/java_md.c

java.c是什么东西
'java程序’源代码
所谓'java程序’，包括jdk中的java.exe/javac.exe/javadoc.exe，java.c源
代码中通过JAVA_ARGS宏来控制生成的代码，如果该宏没定义则编译文件控制生
成java.exe否则编译文件控制生成其他的'java程序’。
比如：
j2se/make/java/javac/Makefile（这是javac编译文件）中：
$(CD) ../../sun/javac ; $(MAKE) $@ RELEASE=$(RELEASE) FULL_VERSION=$(FULL_VERSION)
j2se/make/sun/javac/javac/Makefile（由上面Makefile文件调用）中：
JAVA_ARGS = "{ /"-J-ms8m/", /"com.sun.tools.javac.Main/" }"
则由同一份java.c代码生成的javac.exe程序就会直接调用java类方法：
com.sun.tools.javac.Main，这样使其执行起来就像是直接运行的一个exe文件，
而未定义JAVA_ARGS的java.exe程序则会调用传递过来参数中的类方法。

从java.c的main入口函数说起
main()函数中前面一段为重新分配参数指针的处理。
然后调用函数：CreateExecutionEnvironment，该函数主要查找java运行环境的
目录，和jvm.dll这个虚拟机核心动态连接库文件路径所在。根据操作系统不同，
该函数有不同实现版本，但大体处理逻辑相同，我们看看windows平台该函数的处
理（j2se/src/windows/bin/java_md.c）。

CreateExecutionEnvironment函数主要分为三步处理：
a、查找jre路径。
b、装载jvm.cfg中指定的虚拟机动态连接库（jvm.dll）参数。
c、取jvm.dll文件路径。

实现：
a、查找jre路径是通过java_md.c中函数：GetJREPath实现的。
该函数首先调用GetApplicationHome函数，GetApplicationHome函数调用windows
API函数GetModuleFileName取java.exe程序的绝对路径，以我的jdk安装路径为例，
为：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/bin/java.exe”，然后去掉文件名取绝对路径为：
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/bin”，之后会在去掉最后一级目录，现在绝对路径为：
“D:/java/j2sdk1.4.2_04”。
然后GetJREPath函数继续判断刚刚取的路径+/bin/java.dll组合成的这个java.dll
文件是否存在，如果存在则“D:/java/j2sdk1.4.2_04”为JRE路径，否则判断取得
的“D:/java/j2sdk1.4.2_04”路径+/jre/bin/java.dll文件是否存在，存在则
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”为JRE路径。如果上面两种情况都不存在，则从注
册表中去查找（参见函数GetPublicJREHome）。

函数：GetPublicJREHome先查找
HKEY_LOCAL_MACHINE/Software/JavaSoft/Java Runtime Environment/CurrentVersion
键值“当前JRE版本号”，判断“当前JRE版本号”是否为1.4做为版本号，如果是则
取HKEY_LOCAL_MACHINE/Software/JavaSoft/Java Runtime Environment/“当前JRE版本号”
/JavaHome的路径所在为JRE路径。

我的JDK返回的JRE路径为：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”。

b、装载jvm.cfg虚拟机动态连接库配置文件是通过java.c中函数:ReadKnownVMs实现
的。
该函数首先组合jvm.cfg文件的绝对路径，JRE路径+/lib+/ARCH（CPU构架）+/jvm.cfg
ARCH（CPU构架）的判断是通过java_md.c中GetArch函数判断的，该函数中windows平
台只有两种情况：WIN64的'ia64’，其他情况都为'i386’。我的为i386所以jvm.cfg
文件绝对路径为：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/lib/i386/jvm.cfg”。文件内容如
下：

#
# @(#)jvm.cfg        1.7 03/01/23
# 
# Copyright 2003 Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.
# SUN PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
# 
# 
#
#
# List of JVMs that can be used as an option to java, javac, etc.
# Order is important -- first in this list is the default JVM.
# NOTE that this both this file and its format are UNSUPPORTED and
# WILL GO AWAY in a future release.
#
# You may also select a JVM in an arbitrary location with the
# "-XXaltjvm=<jvm_dir>" option, but that too is unsupported
# and may not be available in a future release.
#
-client KNOWN
-server KNOWN
-hotspot ALIASED_TO -client
-classic WARN
-native ERROR
-green ERROR

（如果细心的话，我们会发现在JDK目录中我的为：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”和“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server”两个目录下都存在jvm.dll文件。而java正是通过jvm.cfg配置文件来管理这些不同版本的jvm.dll的。）

ReadKnownVMs函数会将该文件中的配置内容读入到一个JVM配置结构的全局变量中，该函数首先跳过注释（以'#’开始的行），然后读取以'-’开始的行指定的jvm参数，每一行为一个jvm信息，第一部分为jvm虚拟机名称，第二部分为配置参数，比如行：
“-client KNOWN”则“-client”为虚拟机名称，而“KNOWN”为配置类型参数，“KNOWN”
表示该虚拟机的jvm.dll存在，而“ALIASED_TO”表示为另一个jvm.dll的别名，“WARN”
表示该虚拟机的jvm.dll不存在但运行时会用其他存在的jvm.dll替代执行，而“ERROR”
同样表示该类虚拟机的jvm.dll不存在且运行时不会找存在的jvm.dll替代而直接抛出错误
信息。

在运行java程序时指定使用那个虚拟机的判断是由java.c中函数：CheckJvmType判断，该函数会检查java运行参数中是否有指定jvm的参数，然后从ReadKnownVMs函数读取的jvm.cfg数据结构中去查找，从而指定不同的jvm类型（最终导致装载不同jvm.dll）。有两种方法可以指定jvm类型，一种按照jvm.cfg文件中的jvm名称指定，第二种方法是直接指定，它们执行的方法分别是“java -J<jvm.cfg中jvm名称>”、“java -XXaltjvm=<jvm类型名称>”或“java -J-XXaltjvm=<jvm类型名称>”。如果是第一种参数传递方式，CheckJvmType函数会取参数'-J’后面的jvm名称，然后从已知的jvm配置参数中查找如果找到同名的则去掉该jvm名称前的'-’直接返回该值；而第二种方法，会直接返回“-XXaltjvm=”或“-J-XXaltjvm=”后面的jvm类型名称；如果在运行java时未指定上面两种方法中的任一一种参数，CheckJvmType会取配置文件中第一个配置中的jvm名称，去掉名称前面的'-’返回该值。CheckJvmType函数的这个返回值会在下面的函数中汇同jre路径组合成jvm.dll的绝对路径。

比如：如果在运行java程序时使用“java -J-client test”则ReadKnownVMs会读取参数“-client”然后查找jvm.cfg读入的参数中是否有jvm名称为“-client”的，如果有则去掉jvm名称前的“-”直接返回“client”；而如果在运行java程序时使用如下参数：
“java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client test”，则ReadKnownVMs
会直接返回“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”；如果不带上面参数执行如：
“java test”，因为在jvm.cfg配置文件中第一个存在的jvm为“-client”，所以函数
ReadKnownVMs也会去掉jvm名称前的“-”返回“client”。其实这三中情况都是使用的
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll”这个jvm动态连接库处理test这个class的，见下面GetJVMPath函数。

c、取jvm.dll文件路径是通过java_md.c中函数：GetJVMPath实现的。
由上面两步我们已经获得了JRE路径和jvm的类型字符串。GetJVMPath函数判断CheckJvmType
返回的jvm类型字符串中是否包含了'/’或'/’如果包含则以该jvm类型字符串+/jvm.dll作为JVM的全路径，否则以JRE路径+/bin+/jvm类型字符串+/jvm.dll作为JVM的全路径。

看看上面的例子，第一种情况“java -J-client test”jvm.dll路径为：
JRE路径+/bin+/jvm类型字符串+/jvm.dll 按照我的JDK路径则为：
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”+“/bin”+“/client”+“/jvm.dll”。
第二种情况“java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client test”路径为：
jvm类型字符串+/jvm.dll即为：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”+“/jvm.dll”
第三种情况“java test”为：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”+“/bin”+“/client”
+“/jvm.dll”与情况一相同。所以这三种情况都是调用的jvm动态连接库“D:/java/
j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll”处理test类的。

我们来进一步验证一下：
打开cmd控制台：

设置java装载调试
E:/work/java_research>set _JAVA_LAUNCHER_DEBUG=1
情况一
E:/work/java_research>java -J-client test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
299 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll
2897 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
    version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
    option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
    option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
50001 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
10208 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
情况二
E:/work/java_research>java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
386 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll
2795 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
    version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
    option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
    option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
49978 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
9598 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
情况三
E:/work/java_research>java test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
381 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll
3038 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
    version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
    option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
    option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
50080 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
10215 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
三个的JVM路径都为：
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll

其他情况
E:/work/java_research>java -J-server test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
377 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server/jvm.dll
2985 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
    version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
    option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
    option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
62382 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
12413 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
E:/work/java_research>java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
376 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server/jvm.dll
2937 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
    version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
    option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
    option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
62725 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
8942 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]

由上面可以看出，如果我们安装了多个jdk或jre版本的话，使用“java -XXaltjvm=”
可以通过绝对路径指定到其他版本的jvm.dll上去，至于能不能运行还有待测试。

我们下面回到java.c的main函数中看看上面找到的jvm.dll是如何装载挂接执行的。

该操作大致分为三步：
a、装载jvm.dll动态连接库。
b、初始化jvm.dll并挂接到JNIEnv（JNI调用接口）实例。
c、调用JNIEnv实例装载并处理class类。

实现：
a、装载jvm.dll动态连接库是由main函数调用java_md.c中LoadJavaVM函数实现的。
main函数首先构造了一个InvocationFunctions结构的局部变量，InvocationFunctions
结构有两个函数指针：

typedef struct {
    CreateJavaVM_t CreateJavaVM;
    GetDefaultJavaVMInitArgs_t GetDefaultJavaVMInitArgs;
} InvocationFunctions;

函数LoadJavaVM中先调用windows API函数：LoadLibrary装载jvm.dll动态连接库，
之后将jvm.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs
挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数
指针变量上。jvm.dll的装载工作宣告完成。

b、初始化jvm.dll并挂接到JNIEnv（JNI调用接口）实例是通过java.c中函数：
InitializeJVM完成的。
main方法中首先定义了一个JNIEnv结构的指针，JNIEnv结构中定义了许多与装载class
类文件、查找类方法、调用类方法有关的函数指针变量。InitializeJVM会调用上面
以挂接jvm.dll中JNI_CreateJavaVM的InvocationFunctions结构变量的CreateJavaVM方法，即调用jvm.dll中函数JNI_CreateJavaVM，该函数会将JNIEnv结构的实例返回到main中的JNIEnv结构的指针上。这样main中的JNIEnv指针获取了JNIEnv实例后，就可以开始对class文件进行处理了。

c、调用JNIEnv实例装载并处理class类。
a)如果是执行jar包。
如果执行的是一个jar包的话，main函数会调用java.c中的函数：GetMainClassName，该函数使用JNIEnv实例构造并调用java类：java.util.jar.JarFile中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取getAttributes("Main-Class")的值，即jar包中文件：
META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。
之后main函数会调用java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。
b)如果是执行class方法。
main函数直接调用java.c中LoadClass方法装载该类。

然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中
“public static void main(String[] args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的CallStaticVoidMethod方法调用该java类的main方法。

总结
由上面的代码分析可以看出几个问题。
a、为什么JDK和JRE不一定通过安装，直接拷到硬盘上，设置path环境变量就可以执行。因为java运行获取jre路径的首选方法正是直接通过获取java.exe绝对路径来判断的，如果通过修改注册表选项而不设置path环境变量也可以找到jre路径所在。修改方法如下：
首先我们将java.exe拷到任意目录下，我的拷到e:/temp下，在cmd中运行：
清空path环境变量
E:/temp>set path=
E:/temp>java
Error opening registry key 'Software/JavaSoft/Java Runtime Environment'
Error: could not find java.dll
Error: could not find Java 2 Runtime Environment.

导入如下注册表文件（java.reg）

Windows Registry Editor Version 5.00

[HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft]

[HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft/Java Runtime Environment]
"CurrentVersion"="1.4"

[HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft/Java Runtime Environment/1.4]
"JavaHome"="D://java//j2sdk1.4.2_04//jre"

再执行显示执行正常，如下：

E:/temp>java
Usage: java [-options] class [args...]
           (to execute a class)
   or  java [-options] -jar jarfile [args...]
           (to execute a jar file)

where options include:
    -client       to select the "client" VM
    -server       to select the "server" VM
    -hotspot      is a synonym for the "client" VM  [deprecated]
                  The default VM is client.

    -cp <class search path of directories and zip/jar files>
    -classpath <class search path of directories and zip/jar files>
                  A ; separated list of directories, JAR archives,
                  and ZIP archives to search for class files.
    -D<name>=<value>
                  set a system property
    -verbose[:class|gc|jni]
                  enable verbose output
    -version      print product version and exit
    -showversion  print product version and continue
    -? -help      print this help message
    -X            print help on non-standard options
    -ea[:<packagename>...|:<classname>]
    -enableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  enable assertions
    -da[:<packagename>...|:<classname>]
    -disableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  disable assertions
    -esa | -enablesystemassertions
                  enable system assertions
    -dsa | -disablesystemassertions
                  disable system assertions

b、java.exe是通过jvm.cfg文件或直接指定jvm.dll路径来装载执行java程序的。
见上面例子。
c、不同实现版本的jvm.dll必然存在一个名为：JNI_CreateJavaVM的导出函数，
java.exe正是通过调用该函数获得JNIEnv调用接口来装载执行class类的。这个
函数也是我们下一步研究java vm实作技巧的研究出发点。
JNI_CreateJavaVM函数位于：hotspot/src/share/vm/prims/jni.cpp文件中。