SpringBoot - 探究Spring Boot应用是如何通过java -jar 启动的

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Pre

大家开发的基于Spring Boot 的应用 ，jar形式， 发布的时候，绝大部分都是使用java -jar 启动。 得益于Spring Boot 的封装 ， 再也不用操心搭建tomcat等相关web容器le , 一切变得非常美好， 那SpringBoot是怎么做到的呢？

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引导

新建工程 打包 启动

我们新创建一个Spring Boot的工程

其中打包的配置为

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

先打包一下

查看target目录

然后启动

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java -jar 干啥的

我们先看看 java -jar 干了啥 ？

在oracle官网找到了该命令的描述：

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.

使用-jar参数时，后面的参数是的jar 【spring-0.0.1-SNAPSHOT.jar】，该jar文件中包含的是class和资源文件； 在manifest文件中有Main-Class的定义；Main-Class的源码中指定了整个应用的启动类；

简单来说： java -jar会去找jar中的manifest文件，去找到Main-Class对应的真正的启动类；

那看看去吧

咦 ，这个Main-Class 是Spring Boot 的。

我们还看到有个Start Class

官方文档中，只提到过Main-Class ，并没有提到Start-Class；
Start-Class的值是com.artisan.spring.Application，这是我们的java代码中的唯一类，包含main方法， 是能够真正的应用启动类

所以问题就来了：理论上看，执行java -jar命令时JarLauncher类会被执行，但实际上是com.artisan.spring.Application被执行了，这其中发生了什么呢？why？

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打包插件

事实上，Java没有提供任何标准的方式来加载嵌套的jar文件 （jar中包含jar ,即Spring Boot 中的fat jar）

Spring Boot 默认的打包插件如下：

	<build>
		<plugins>
			<plugin>
				<groupId>org.springframework.boot</groupId>
				<artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
			</plugin>
		</plugins>
	</build>

执行maven clean package之后，会生成两个文件，刚才我们也看到了

spring-boot-maven-plugin简介

spring-boot-maven-plugin项目存在于spring-boot-tools目录中。

spring-boot-maven-plugin默认有5个goals：repackage、run、start、stop、build-info。在打包的时候默认使用的是repackage。

spring-boot-maven-plugin的repackage能够将mvn package生成的软件包，再次打包为可执行的软件包，并将mvn package生成的软件包重命名为.original*

spring-boot-maven-plugin的repackage在代码层面调用了RepackageMojo的execute方法，而在该方法中又调用了repackage方法。

private void repackage() throws MojoExecutionException {
     
   // maven生成的jar，最终的命名将加上.original后缀
   Artifact source = getSourceArtifact();
   // 最终为可执行jar，即fat jar
   File target = getTargetFile();
   // 获取重新打包器，将maven生成的jar重新打包成可执行jar
   Repackager repackager = getRepackager(source.getFile());
   // 查找并过滤项目运行时依赖的jar
   Set<Artifact> artifacts = filterDependencies(this.project.getArtifacts(),
         getFilters(getAdditionalFilters()));
   // 将artifacts转换成libraries
   Libraries libraries = new ArtifactsLibraries(artifacts, this.requiresUnpack,
         getLog());
   try {
     
      // 获得Spring Boot启动脚本
      LaunchScript launchScript = getLaunchScript();
      // 执行重新打包，生成fat jar
      repackager.repackage(target, libraries, launchScript);
   }catch (IOException ex) {
     
      throw new MojoExecutionException(ex.getMessage(), ex);
   }
   // 将maven生成的jar更新成.original文件
   updateArtifact(source, target, repackager.getBackupFile());
}

执行以上命令之后，便生成了打包结果对应的两个文件。

包结构

下面针对文件的内容和结构进行一探究竟。

spring-0.0.1-SNAPSHOT.jar
├── META-INF
│   └── maven(主要是pom文件)
│   └── MANIFEST.MF
├── BOOT-INF
│   ├── classes
│   │   └── 应用程序类
│   └── lib
│       └── 第三方依赖jar
└── org
    └── springframework
        └── boot
            └── loader
                └── springboot启动程序

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META-INF内容

Manifest-Version: 1.0
Spring-Boot-Classpath-Index: BOOT-INF/classpath.idx
Implementation-Title: spring
Implementation-Version: 0.0.1-SNAPSHOT
Spring-Boot-Layers-Index: BOOT-INF/layers.idx
Start-Class: com.artisan.spring.Application
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/
Build-Jdk-Spec: 1.8
Spring-Boot-Version: 2.4.1
Created-By: Maven Jar Plugin 3.2.0
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

• Main-Class：org.springframework.boot.loader.JarLauncher ，这个是jar启动的Main函数
• Start-Class: com.artisan.spring.Application，这个是我们应用自己的Main函数

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Archive的概念

在继续了解底层概念和原理之前，我们先来了解一下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
• jar是zip格式

SpringBoot抽象了Archive的概念，一个Archive可以是jar（JarFileArchive），可以是一个文件目录（ExplodedArchive），可以抽象为统一访问资源的逻辑层

关于Spring Boot中Archive的源码如下：

public interface Archive extends Iterable<Archive.Entry> {
     
    // 获取该归档的url
    URL getUrl() throws MalformedURLException;
    // 获取jar!/META-INF/MANIFEST.MF或[ArchiveDir]/META-INF/MANIFEST.MF
    Manifest getManifest() throws IOException;
    // 获取jar!/BOOT-INF/lib/*.jar或[ArchiveDir]/BOOT-INF/lib/*.jar
    List<Archive> getNestedArchives(EntryFilter filter) throws IOException;
}

SpringBoot定义了一个接口用于描述资源，也就是org.springframework.boot.loader.archive.Archive。

该接口有两个实现，分别是

• org.springframework.boot.loader.archive.ExplodedArchive

• org.springframework.boot.loader.archive.JarFileArchive。

前者用于在文件夹目录下寻找资源，后者用于在jar包环境下寻找资源。而在SpringBoot打包的fatJar中，则是使用后者JarFileArchive

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JarFile

JarFile：对jar包的封装，每个JarFileArchive都会对应一个JarFile。

JarFile被构造的时候会解析内部结构，去获取jar包里的各个文件或文件夹，这些文件或文件夹会被封装到Entry中，也存储在JarFileArchive中。如果Entry是个jar，会解析成JarFileArchive。

比如一个JarFileArchive对应的URL为：

jar:file:/Users/format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/

它对应的JarFile为：

/Users/format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar

这个JarFile有很多Entry，比如：

META-INF/
META-INF/MANIFEST.MF
spring/
spring/study/
....
spring/study/executablejar/ExecutableJarApplication.class
lib/spring-boot-starter-1.3.5.RELEASE.jar
lib/spring-boot-1.3.5.RELEASE.jar
...

JarFileArchive内部的一些依赖jar对应的URL(SpringBoot使用org.springframework.boot.loader.jar.Handler处理器来处理这些URL)：

jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-starter-web-1.3.5.RELEASE.jar!/

jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-loader-1.3.5.RELEASE.jar!/org/springframework/boot/loader/JarLauncher.class

我们看到如果有jar包中包含jar，或者jar包中包含jar包里面的class文件，那么会使用 !/ 分隔开，这种方式只有org.springframework.boot.loader.jar.Handler能处理，它是SpringBoot内部扩展出来的一种URL协议。

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JarLauncher工作流程

从MANIFEST.MF可以看到Main函数是JarLauncher，下面来分析它的工作流程。JarLauncher类的继承结构是：

class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher
class ExecutableArchiveLauncher extends Launcher

Launcher for JAR based archives. This launcher assumes that dependency jars are included inside a /BOOT-INF/lib directory and that application classes are included inside a /BOOT-INF/classes directory.

什么意思呢？

按照定义，JarLauncher可以加载内部/BOOT-INF/lib下的jar及/BOOT-INF/classes下的应用class。

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

其主入口新建了JarLauncher并调用父类Launcher中的launch方法启动程序。在创建JarLauncher时，父类ExecutableArchiveLauncher找到自己所在的jar，并创建archive。

JarLauncher继承于org.springframework.boot.loader.ExecutableArchiveLauncher。该类的无参构造方法最主要的功能就是构建了当前main方法所在的FatJar的JarFileArchive对象。

下面来看launch方法。该方法主要是做了2个事情：

• （1）以FatJar为file作为入参，构造JarFileArchive对象。获取其中所有的资源目标，取得其Url，将这些URL作为参数，构建了一个URLClassLoader。
• （2）以第一步构建的ClassLoader加载MANIFEST.MF文件中Start-Class指向的业务类，并且执行静态方法main。进而启动整个程序。

public abstract class ExecutableArchiveLauncher extends Launcher {
     
    private final Archive archive;
    public ExecutableArchiveLauncher() {
     
        try {
     
            // 找到自己所在的jar，并创建Archive
            this.archive = createArchive();
        }
        catch (Exception ex) {
     
            throw new IllegalStateException(ex);
        }
    }
}
 
 
public abstract class Launcher {
     
    protected final Archive createArchive() throws Exception {
     
        ProtectionDomain protectionDomain = getClass().getProtectionDomain();
        CodeSource codeSource = protectionDomain.getCodeSource();
        URI location = (codeSource == null ? null : codeSource.getLocation().toURI());
        String path = (location == null ? null : location.getSchemeSpecificPart());
        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));
    }
}

在Launcher的launch方法中，通过以上archive的getNestedArchives方法找到/BOOT-INF/lib下所有jar及/BOOT-INF/classes目录所对应的archive，通过这些archives的url生成LaunchedURLClassLoader，并将其设置为线程上下文类加载器，启动应用。

至此，才执行我们应用程序主入口类的main方法，所有应用程序类文件均可通过/BOOT-INF/classes加载，所有依赖的第三方jar均可通过/BOOT-INF/lib加载。

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小结

• JarLauncher通过加载BOOT-INF/classes目录及BOOT-INF/lib目录下jar文件，实现了fat jar的启动。
• 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通过加载WEB-INF/classes目录及WEB-INF/lib和WEB-INF/lib-provided目录下的jar文件，实现了war文件的直接启动及web容器中的启动。

通过spring-boot-plugin 生成了MANIFEST.MF ， main-class 指定运行java -jar的主程序把依赖的jar文件 打包在fat jar.