java底层研究

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，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。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, v 1.4.2 fcsCommunity Source Release》，可从sun官方网站下载，主分析的源代码为：

    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-ms 8m/", /"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windowsAPI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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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.cfgARCH（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‘ia 64’，其他情况都为‘i 386’。我的为i386所以jvm.cfg

    文件绝对路径为：“D:/java/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_04/jre/bin/client”和“:/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“LIASED_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。heckJvmType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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_04/jre”+“/bin”+“/client”+“/jvm.dll”。

第二种情况“java -Xaltjvm=D:/java/j2sdk 1.4.2_04/jre/bin/client test”路径为：jvm类型字符串+/jvm.dll即为：“:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”+“/jvm.dll”

第三种情况“java test”为：“D:/java/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_04/jre/bin/client test.ScanDirectory

    ----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----

    JRE path is D:/java/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_04/jre/bin/server test.ScanDirectory

    ----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----

    JRE path is D:/java/j2sdk 1.4.2_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/j2sdk 1.4.2_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//j2sdk 1.4.2_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。