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SpringBoot基于jar包启动核心原理及流程详解

news 来源：原创 2024/5/19 13:27:49

如今，Spring Boot几乎已成为Java企业级开发的标准框架，它为开发人员提供了极其方便的项目框架搭建、软件集成功能，极大地提升了开发人员的工作效率，减少了企业的运营成本。而Spring Boot又极其简单易用，一个新手按照官方文档的指导在十几分钟内就能创建一个可运行的Spring Boot项目。本文带你了解SpringBoot基于jar包启动核心原理及流程。

得益于SpringBoot的封装，我们可以只通过jar -jar一行命令便启动一个web项目。再也不用操心搭建tomcat等相关web容器。那么，你是否探究过SpringBoot是如何达到这一操作的呢？只有了解了底层实现原理，才能更好的掌握该项技术带来的好处以及性能调优。本篇文章带大家聊一探究竟。本文部分内容参考于网络文章，部分内容参考《SpringBoot技术内幕：架构设计与实现原理》。

Jar包的打包插件及核心方法

Spring Boot项目的pom.xml文件中默认使用如下插件进行打包：

<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：

spring-learn-0.0.1-SNAPSHOT.jar
spring-learn-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original

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。repackage方法代码及操作解析如下：

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。下面针对文件的内容和结构进行一探究竟。

jar包目录结构

首先来看看jar的目录结构，都包含哪些目录和文件，解压jar包可以看到如下结构：

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

META-INF内容

在上述目录结构中，META-INF记录了相关jar包的基础信息，包括入口程序等。

Manifest-Version: 1.0
Implementation-Title: spring-learn
Implementation-Version: 0.0.1-SNAPSHOT
Start-Class: com.secbro2.learn.SpringLearnApplication
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/
Build-Jdk-Spec: 1.8
Spring-Boot-Version: 2.1.5.RELEASE
Created-By: Maven Archiver 3.4.0
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

可以看到有Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher ，这个是jar启动的Main函数。

还有一个Start-Class是com.secbro2.learn.SpringLearnApplication，这个是我们应用自己的Main函数。

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和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。

JarLauncher

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.

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，其实JarLauncher实现很简单：

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。

URLStreamHandler

java中描述资源常使用URL。而URL有一个方法用于打开链接java.net.URL#openConnection()。由于URL用于表达各种各样的资源，打开资源的具体动作由java.net.URLStreamHandler这个类的子类来完成。根据不同的协议，会有不同的handler实现。而JDK内置了相当多的handler实现用于应对不同的协议。比如jar、file、http等等。URL内部有一个静态HashTable属性，用于保存已经被发现的协议和handler实例的映射。

获得URLStreamHandler有三种方法：

（1）实现URLStreamHandlerFactory接口，通过方法URL.setURLStreamHandlerFactory设置。该属性是一个静态属性，且只能被设置一次。

（2）直接提供URLStreamHandler的子类，作为URL的构造方法的入参之一。但是在JVM中有固定的规范要求：

子类的类名必须是Handler，同时最后一级的包名必须是协议的名称。比如自定义了Http的协议实现，则类名必然为xx.http.Handler；

JVM启动的时候，需要设置java.protocol.handler.pkgs系统属性，如果有多个实现类，那么中间用|隔开。因为JVM在尝试寻找Handler时，会从这个属性中获取包名前缀，最终使用包名前缀.协议名.Handler，使用Class.forName方法尝试初始化类，如果初始化成功，则会使用该类的实现作为协议实现。

SpringBoot自定义的classLoader能够识别FatJar中的资源，包括有：在指定目录下的项目编译class、在指令目录下的项目依赖jar。JDK默认用于加载应用的AppClassLoader只能从jar的根目录开始加载class文件，并且也不支持jar in jar这种格式。

为了实现这个目标，SpringBoot首先从支持jar in jar中内容读取做了定制，也就是支持多个!/分隔符的url路径。SpringBoot定制了以下两个方面：

（1）实现了一个java.net.URLStreamHandler的子类org.springframework.boot.loader.jar.Handler。该Handler支持识别多个!/分隔符，并且正确的打开URLConnection。打开的Connection是SpringBoot定制的org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection实现。

（2）实现了一个java.net.JarURLConnection的子类org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection。该链接支持多个!/分隔符，并且自己实现了在这种情况下获取InputStream的方法。而为了能够在org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection正确获取输入流，SpringBoot自定义了一套读取ZipFile的工具类和方法。这部分和ZIP压缩算法规范紧密相连，就不拓展了。

WarLauncher

针对SpringBoot的项目，如果依旧想采用基于war包的形式进行部署，那么需要对打包形式进行修改，而构建war包也比较简单：

（1）修改packaging为war包。

<groupId>com.secbro2</groupId>
<artifactId>springboot-learn</artifactId>
<version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
<packaging>war</packaging>

（2）排除掉默认的tomcat依赖。

<dependency>
  <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
  <exclusions>
    <exclusion>
      <groupId>org.springframework.boot</groupId>
      <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
    </exclusion>
  </exclusions>
</dependency>


<dependency>
  <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
  <scope>provided</scope>
</dependency>

（3）启动类继承SpringBootServletInitializer，重写它的configure方法。

@SpringBootApplication
@RestController
public class LearnApp extends SpringBootServletInitializer {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(LearnApp.class, args);
    }

    @Override
    protected SpringApplicationBuilder configure(SpringApplicationBuilder builder) {
        return builder.sources(LearnApp.class);
    }
}

构建出的war包，其目录结构为：

springboot-learn-0.0.1-SNAPSHOT
├── META-INF
│   └── MANIFEST.MF
├── WEB-INF
│   ├── classes
│   │   └── 应用程序
│   └── lib
│       └── 第三方依赖jar
│   └── lib-provided
│       └── 与内嵌容器相关的第三方依赖jar
└── org
    └── springframework
        └── boot
            └── loader
                └── springboot启动程序

MANIFEST.MF内容为：

Manifest-Version: 1.0
Start-Class: com.secbro2.LearnApp
Main-Class: org.springframework.boot.loader.WarLauncher

此时，启动类变为了org.springframework.boot.loader.WarLauncher，查看WarLauncher实现，其实与JarLauncher并无太大差别。

public class WarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher {
    private static final String WEB_INF = "WEB-INF/";
    private static final String WEB_INF_CLASSES = WEB_INF + "classes/";
    private static final String WEB_INF_LIB = WEB_INF + "lib/";
    private static final String WEB_INF_LIB_PROVIDED = WEB_INF + "lib-provided/";

    public WarLauncher() {
    }

    @Override
    public boolean isNestedArchive(Archive.Entry entry) {
        if (entry.isDirectory()) {
            return entry.getName().equals(WEB_INF_CLASSES);
        }else {
            return entry.getName().startsWith(WEB_INF_LIB)
                    || entry.getName().startsWith(WEB_INF_LIB_PROVIDED);
        }
    }

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

差别仅在于，JarLauncher在构建LauncherURLClassLoader时，会搜索BOOT-INF/classes目录及BOOT-INF/lib目录下jar，WarLauncher在构建LauncherURLClassLoader时，则会搜索WEB-INFO/classes目录及WEB-INFO/lib和WEB-INFO/lib-provided两个目录下的jar。

Spring Boot应用启动流程总结

总结一下Spring Boot应用的启动流程：

（1）Spring Boot应用打包之后，生成一个Fat jar，包含了应用依赖的jar包和Spring Boot loader相关的类。

（2）Fat jar的启动Main函数是JarLauncher，它负责创建一个LaunchedURLClassLoader来加载/lib下面的jar，并以一个新线程启动应用的Main函数。

那么，ClassLoader是如何读取到Resource，它又需要哪些能力？查找资源和读取资源的能力。对应的API：

public URL findResource(String name)
public InputStream getResourceAsStream(String name)

SpringBoot构造LaunchedURLClassLoader时，传递了一个URL[]数组。数组里是lib目录下面的jar的URL。

对于一个URL，JDK或者ClassLoader如何知道怎么读取到里面的内容的？流程如下：

LaunchedURLClassLoader.loadClass
URL.getContent()
URL.openConnection()
Handler.openConnection(URL)

最终调用的是JarURLConnection的getInputStream()函数。

//org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection
 @Override
public InputStream getInputStream() throws IOException {
   connect();
   if (this.jarEntryName.isEmpty()) {
     throw new IOException("no entry name specified");
   }
   return this.jarEntryData.getInputStream();
 }

从一个URL，到最终读取到URL里的内容，整个过程是比较复杂的，总结下：

Spring boot注册了一个Handler来处理”jar:”这种协议的URL。
Spring boot扩展了JarFile和JarURLConnection，内部处理jar in jar的情况。
在处理多重jar in jar的URL时，Spring Boot会循环处理，并缓存已经加载到的JarFile。
对于多重jar in jar，实际上是解压到了临时目录来处理，可以参考JarFileArchive里的代码。
在获取URL的InputStream时，最终获取到的是JarFile里的JarEntryData。

细节很多，上面只列出比较重要的步骤。最后，URLClassLoader是如何getResource的呢？URLClassLoader在构造时，有URL[]数组参数，它内部会用这个数组来构造一个URLClassPath:

URLClassPath ucp = new URLClassPath(urls);

在URLClassPath内部会为这些URLS都构造一个Loader，然后在getResource时，会从这些Loader里一个个去尝试获取。如果获取成功的话，就像下面那样包装为一个Resource。

Resource getResource(final String name, boolean check) {
    final URL url;
    try {
        url = new URL(base, ParseUtil.encodePath(name, false));
    } catch (MalformedURLException e) {
        throw new IllegalArgumentException("name");
    }
    final URLConnection uc;
    try {
        if (check) {
            URLClassPath.check(url);
        }
        uc = url.openConnection();
        InputStream in = uc.getInputStream();
        if (uc instanceof JarURLConnection) {
            /* Need to remember the jar file so it can be closed
             * in a hurry.
             */
            JarURLConnection juc = (JarURLConnection)uc;
            jarfile = JarLoader.checkJar(juc.getJarFile());
        }
    } catch (Exception e) {
        return null;
    }
    return new Resource() {
        public String getName() { return name; }
        public URL getURL() { return url; }
        public URL getCodeSourceURL() { return base; }
        public InputStream getInputStream() throws IOException {
            return uc.getInputStream();
        }
        public int getContentLength() throws IOException {
            return uc.getContentLength();
        }
    };
}

从代码里可以看到，实际上是调用了url.openConnection()。这样完整的链条就可以连接起来了。

在IDE/开放目录启动Spring boot应用

在上面只提到在一个fat jar里启动SpringBoot应用的过程，那么IDE里Spring boot是如何启动的呢？

在IDE里，直接运行的Main函数是应用的Main函数：

@SpringBootApplication
public class SpringBootDemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringBootDemoApplication.class, args);
    }
}

其实在IDE里启动SpringBoot应用是最简单的一种情况，因为依赖的Jar都让IDE放到classpath里了，所以Spring boot直接启动就完事了。

还有一种情况是在一个开放目录下启动SpringBoot启动。所谓的开放目录就是把fat jar解压，然后直接启动应用。

这时，Spring boot会判断当前是否在一个目录里，如果是的，则构造一个ExplodedArchive（前面在jar里时是JarFileArchive），后面的启动流程类似fat jar的。