SpringBoot的 jar 可以直接运行的原理分析

Java SpringBoot
SpringBoot提供了一个插件spring-boot-maven-plugin用于把程序打包成一个可执行的jar包。在pom文件里加入这个插件即可：

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

打包完生成的executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar内部的结构如下：

├── META-INF
│   ├── MANIFEST.MF
│   └── maven
│       └── spring.study
│           └── executable-jar
│               ├── pom.properties
│               └── pom.xml
├── lib
│   ├── aopalliance-1.0.jar
│   ├── classmate-1.1.0.jar
│   ├── spring-boot-1.3.5.RELEASE.jar
│   ├── spring-boot-autoconfigure-1.3.5.RELEASE.jar
│   ├── ...
├── org
│   └── springframework
│       └── boot
│           └── loader
│               ├── ExecutableArchiveLauncher$1.class
│               ├── ...
└── spring
    └── study
        └── executablejar
            └── ExecutableJarApplication.class

然后可以直接执行jar包就能启动程序了：

java -jar executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar

打包出来fat jar内部有4种文件类型：

• META-INF文件夹：程序入口，其中MANIFEST.MF用于描述jar包的信息
• lib目录：放置第三方依赖的jar包，比如springboot的一些jar包
• spring boot loader相关的代码
• 模块自身的代码

MANIFEST.MF文件的内容：

Manifest-Version: 1.0
Implementation-Title: executable-jar
Implementation-Version: 1.0-SNAPSHOT
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: Format
Start-Class: spring.study.executablejar.ExecutableJarApplication
Implementation-Vendor-Id: spring.study
Spring-Boot-Version: 1.3.5.RELEASE
Created-By: Apache Maven 3.2.3
Build-Jdk: 1.8.0_20
Implementation-Vendor: Pivotal Software, Inc.
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

可以看到，它的Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher，当使用java -jar执行jar包的时候会调用JarLauncher的main方法，而不是编写的SpringApplication。

那么JarLauncher这个类是的作用是什么的？

它是SpringBoot内部提供的工具Spring Boot Loader提供的一个用于执行Application类的工具类(fat jar内部有spring loader相关的代码就是因为这里用到了)。相当于Spring Boot Loader提供了一套标准用于执行SpringBoot打包出来的jar

Spring Boot Loader抽象的一些类

抽象类Launcher：各种Launcher的基础抽象类，用于启动应用程序；跟Archive配合使用；目前有3种实现，分别是JarLauncher、WarLauncher以及PropertiesLauncher
Archive：归档文件的基础抽象类。JarFileArchive就是jar包文件的抽象。它提供了一些方法比如getUrl会返回这个Archive对应的URL；getManifest方法会获得Manifest数据等。ExplodedArchive是文件目录的抽象
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

可以看到如果有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。

JarLauncher的执行过程

JarLauncher的main方法：
public static void main(String[] args) {
    // 构造JarLauncher，然后调用它的launch方法。参数是控制台传递的
    new JarLauncher().launch(args);
}

JarLauncher被构造的时候会调用父类ExecutableArchiveLauncher的构造方法。
ExecutableArchiveLauncher的构造方法内部会去构造Archive，这里构造了JarFileArchive。构造JarFileArchive的过程中还会构造很多东西，比如JarFile，Entry …
JarLauncher的launch方法：

protected void launch(String[] args) {
    try {
        // 在系统属性中设置注册了自定义的URL处理器：org.springframework.boot.loader.jar.Handler。如果URL中没有指定处理器，会去系统属性中查询
        JarFile.registerUrlProtocolHandler();
        // getClassPathArchives方法在会去找lib目录下对应的第三方依赖JarFileArchive，同时也会项目自身的JarFileArchive
        // 根据getClassPathArchives得到的JarFileArchive集合去创建类加载器ClassLoader。这里会构造一个LaunchedURLClassLoader类加载器，这个类加载器继承URLClassLoader，并使用这些JarFileArchive集合的URL构造成URLClassPath
        // LaunchedURLClassLoader类加载器的父类加载器是当前执行类JarLauncher的类加载器
        ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchives());
        // getMainClass方法会去项目自身的Archive中的Manifest中找出key为Start-Class的类
        // 调用重载方法launch
        launch(args, getMainClass(), classLoader);
    }
    catch (Exception ex) {
        ex.printStackTrace();
        System.exit(1);
    }
}
// Archive的getMainClass方法
// 这里会找出spring.study.executablejar.ExecutableJarApplication这个类
public String getMainClass() throws Exception {
    Manifest manifest = getManifest();
    String mainClass = null;
    if (manifest != null) {
        mainClass = manifest.getMainAttributes().getValue("Start-Class");
    }
    if (mainClass == null) {
        throw new IllegalStateException(
            "No 'Start-Class' manifest entry specified in " + this);
    }
    return mainClass;
}
// launch重载方法
protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader)
    throws Exception {
    // 创建一个MainMethodRunner，并把args和Start-Class传递给它
    Runnable runner = createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader);
    // 构造新线程
    Thread runnerThread = new Thread(runner);
    // 线程设置类加载器以及名字，然后启动
    runnerThread.setContextClassLoader(classLoader);
    runnerThread.setName(Thread.currentThread().getName());
    runnerThread.start();
}

MainMethodRunner的run方法：

@Override
public void run() {
    try {
        // 根据Start-Class进行实例化
        Class<?> mainClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader()
            .loadClass(this.mainClassName);
        // 找出main方法
        Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);
        // 如果main方法不存在，抛出异常
        if (mainMethod == null) {
            throw new IllegalStateException(
                this.mainClassName + " does not have a main method");
        }
        // 调用
        mainMethod.invoke(null, new Object[] { this.args });
    }
    catch (Exception ex) {
        UncaughtExceptionHandler handler = Thread.currentThread()
            .getUncaughtExceptionHandler();
        if (handler != null) {
            handler.uncaughtException(Thread.currentThread(), ex);
        }
        throw new RuntimeException(ex);
    }
}

Start-Class的main方法调用之后，内部会构造Spring容器，启动内置Servlet容器等过程。

关于自定义的类加载器LaunchedURLClassLoader

LaunchedURLClassLoader重写了loadClass方法，也就是说它修改了默认的类加载方式(先看该类是否已加载这部分不变，后面真正去加载类的规则改变了，不再是直接从父类加载器中去加载)。LaunchedURLClassLoader定义了自己的类加载规则：

private Class<?> doLoadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
  // 1) Try the root class loader
  try {
    if (this.rootClassLoader != null) {
      return this.rootClassLoader.loadClass(name);
    }
  }
  catch (Exception ex) {
    // Ignore and continue
  }
  // 2) Try to find locally
  try {
    findPackage(name);
    Class<?> cls = findClass(name);
    return cls;
  }
  catch (Exception ex) {
    // Ignore and continue
  }
  // 3) Use standard loading
  return super.loadClass(name, false);
}

加载规则：

• 如果根类加载器存在，调用它的加载方法。这里是根类加载是ExtClassLoader
• 调用LaunchedURLClassLoader自身的findClass方法，也就是URLClassLoader的findClass方法
• 调用父类的loadClass方法，也就是执行默认的类加载顺序(从BootstrapClassLoader开始从下往下寻找)

LaunchedURLClassLoader自身的findClass方法：

protected Class<?> findClass(final String name)
    throws ClassNotFoundException{
    try {
        return AccessController.doPrivileged(
            new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                    // 把类名解析成路径并加上.class后缀
                    String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                    // 基于之前得到的第三方jar包依赖以及自己的jar包得到URL数组，进行遍历找出对应类名的资源
                    // 比如path是org/springframework/boot/loader/JarLauncher.class，它在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!/中被找出
                    // 那么找出的资源对应的URL为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
                    Resource res = ucp.getResource(path, false);
                    if (res != null) { // 找到了资源
                        try {
                            return defineClass(name, res);
                        } catch (IOException e) {
                            throw new ClassNotFoundException(name, e);
                        }
                    } else { // 找不到资源的话直接抛出ClassNotFoundException异常
                        throw new ClassNotFoundException(name);
                    }
                }
            }, acc);
    } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
        throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
    }
}

下面是LaunchedURLClassLoader的一个测试：

// 注册org.springframework.boot.loader.jar.Handler URL协议处理器
JarFile.registerUrlProtocolHandler();
// 构造LaunchedURLClassLoader类加载器，这里使用了2个URL，分别对应jar包中依赖包spring-boot-loader和spring-boot，使用 "!/" 分开，需要org.springframework.boot.loader.jar.Handler处理器处理
LaunchedURLClassLoader classLoader = new LaunchedURLClassLoader(
        new URL[] {
                new URL("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!/")
                , new URL("jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-1.3.5.RELEASE.jar!/")
        },
        LaunchedURLClassLoaderTest.class.getClassLoader());
// 加载类
// 这2个类都会在第二步本地查找中被找出(URLClassLoader的findClass方法)
classLoader.loadClass("org.springframework.boot.loader.JarLauncher");
classLoader.loadClass("org.springframework.boot.SpringApplication");
// 在第三步使用默认的加载顺序在ApplicationClassLoader中被找出
classLoader.loadClass("org.springframework.boot.autoconfigure.web.DispatcherServletAutoConfiguration");

Spring Boot Loader的作用

SpringBoot在可执行jar包中定义了自己的一套规则，比如第三方依赖jar包在/lib目录下，jar包的URL路径使用自定义的规则并且这个规则需要使用org.springframework.boot.loader.jar.Handler处理器处理。它的Main-Class使用JarLauncher，如果是war包，使用WarLauncher执行。这些Launcher内部都会另起一个线程启动自定义的SpringApplication类。
这些特性通过spring-boot-maven-plugin插件打包完成。