彻底搞懂 SpringBoot jar 可执行原理_Java教程

彻底搞懂 SpringBoot jar 可执行原理

涉及的知识点主要包括Maven的生命周期以及自定义插件，JDK提供关于jar包的工具类以及Springboot如何扩展，最后是自定义类加载器。

spring-boot-maven-plugin

SpringBoot 的可执行jar包又称fat jar ，是包含所有第三方依赖的 jar 包，jar 包中嵌入了除 java 虚拟机以外的所有依赖，是一个 all-in-one jar 包。

普通插件maven-jar-plugin生成的包和spring-boot-maven-plugin生成的包之间的直接区别，是fat jar中主要增加了两部分，第一部分是lib目录，存放的是Maven依赖的jar包文件,第二部分是spring boot loader相关的类。

fat jar //目录结构  ├─BOOT-INF │ ├─classes │ └─lib ├─META-INF │ ├─maven │ ├─app.properties │ ├─MANIFEST.MF └─org └─springframework └─boot └─loader ├─archive ├─data ├─jar └─util

也就是说想要知道fat jar是如何生成的，就必须知道spring-boot-maven-plugin工作机制，而spring-boot-maven-plugin属于自定义插件，因此我们又必须知道，Maven的自定义插件是如何工作的

Maven的自定义插件

Maven 拥有三套相互独立的生命周期: clean、default 和 site, 而每个生命周期包含一些phase阶段, 阶段是有顺序的, 并且后面的阶段依赖于前面的阶段。生命周期的阶段phase与插件的目标goal相互绑定，用以完成实际的构建任务。

<plugin> <groupId>org.springframework.bootgroupId> <artifactId>spring-boot-maven-pluginartifactId> <executions> <execution> <goals> <goal>repackagegoal> goals> execution> executions> plugin>

repackage目标对应的将执行到org.springframework.boot.maven.RepackageMojo#execute，该方法的主要逻辑是调用了org.springframework.boot.maven.RepackageMojo#repackage。

private void repackage() throws MojoExecutionException { //获取使用maven-jar-plugin生成的jar，最终的命名将加上.orignal后缀  Artifact source = getSourceArtifact(); //最终文件，即Fat jar  File target = getTargetFile(); //获取重新打包器，将重新打包成可执行jar文件  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 { //提供Spring Boot启动脚本  LaunchScript launchScript = getLaunchScript(); //执行重新打包逻辑，生成最后fat jar  repackager.repackage(target, libraries, launchScript);  
   } catch (IOException ex) { throw new MojoExecutionException(ex.getMessage(), ex);  
   } //将source更新成 xxx.jar.orignal文件  updateArtifact(source, target, repackager.getBackupFile());  
}

我们关心一下org.springframework.boot.maven.RepackageMojo#getRepackager这个方法，知道Repackager是如何生成的，也就大致能够推测出内在的打包逻辑。

private Repackager getRepackager(File source) { Repackager repackager = new Repackager(source, this.layoutFactory); repackager.addMainClassTimeoutWarningListener( new LoggingMainClassTimeoutWarningListener()); //设置main class的名称，如果不指定的话则会查找第一个包含main方法的类，repacke最后将会设置org.springframework.boot.loader.JarLauncher  repackager.setMainClass(this.mainClass); if (this.layout != null) { getLog().info("Layout: " + this.layout); //重点关心下layout 最终返回了 org.springframework.boot.loader.tools.Layouts.Jar  repackager.setLayout(this.layout.layout());  
   } return repackager;  
}

/**  * Executable JAR layout.  */ public static class Jar implements RepackagingLayout { @Override public String getLauncherClassName() { return "org.springframework.boot.loader.JarLauncher"; 
   } @Override public String getLibraryDestination(String libraryName, LibraryScope scope) { return "BOOT-INF/lib/";  
   } @Override public String getClassesLocation() { return "";  
   } @Override public String getRepackagedClassesLocation() { return "BOOT-INF/classes/";  
   } @Override public boolean isExecutable() { return true;  
   }  
}

layout我们可以将之翻译为文件布局，或者目录布局，代码一看清晰明了，同时我们需要关注，也是下一个重点关注对象org.springframework.boot.loader.JarLauncher，从名字推断，这很可能是返回可执行jar文件的启动类。

MANIFEST.MF文件内容

Manifest-Version: 1.0 Implementation-Title: oneday-auth-server Implementation-Version: 1.0.0-SNAPSHOT Archiver-Version: Plexus Archiver Built-By: oneday Implementation-Vendor-Id: com.oneday Spring-Boot-Version: 2.1.3.RELEASE Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher Start-Class: com.oneday.auth.Application Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/ Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/ Created-By: Apache Maven 3.3.9 Build-Jdk: 1.8.0_171

repackager生成的MANIFEST.MF文件为以上信息，可以看到两个关键信息Main-Class和Start-Class。我们可以进一步，程序的启动入口并不是我们SpringBoot中定义的main，而是JarLauncher#main，而再在其中利用反射调用定义好的Start-Class的main方法。

JarLauncher

重点类介绍

java.util.jar.JarFile JDK工具类提供的读取jar文件
org.springframework.boot.loader.jar.JarFileSpringboot-loader 继承JDK提供JarFile类
java.util.jar.JarEntryDK工具类提供的jar文件条目
org.springframework.boot.loader.jar.JarEntry Springboot-loader 继承JDK提供JarEntry类
org.springframework.boot.loader.archive.Archive Springboot抽象出来的统一访问资源的层

JarFileArchivejar包文件的抽象
ExplodedArchive文件目录

这里重点描述一下JarFile的作用，每个JarFileArchive都会对应一个JarFile。在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类。我们可以看一下该类的注释。

/* Extended variant of {@link java.util.jar.JarFile} that behaves in the same way but  * offers the following additional functionality.  *

A nested {@link JarFile} can be {@link #getNestedJarFile(ZipEntry) obtained} based * on any directory entry. *
A nested {@link JarFile} can be {@link #getNestedJarFile(ZipEntry) obtained} for * embedded JAR files (as long as their entry is not compressed).

**/

jar里的资源分隔符是!/，在JDK提供的JarFile URL只支持一个’!/‘，而Spring boot扩展了这个协议，让它支持多个’!/‘，就可以表示jar in jar、jar in directory、fat jar的资源了。

自定义类加载机制

最基础：Bootstrap ClassLoader（加载JDK的/lib目录下的类）
次基础：Extension ClassLoader（加载JDK的/lib/ext目录下的类）
普通：Application ClassLoader（程序自己classpath下的类）

首先需要关注双亲委派机制很重要的一点是，如果一个类可以被委派最基础的ClassLoader加载，就不能让高层的ClassLoader加载，这样是为了范围错误的引入了非JDK下但是类名一样的类。

其二，如果在这个机制下，由于fat jar中依赖的各个第三方jar文件，并不在程序自己classpath下，也就是说，如果我们采用双亲委派机制的话，根本获取不到我们所依赖的jar包，因此我们需要修改双亲委派机制的查找class的方法，自定义类加载机制。

先简单的介绍Springboot2中LaunchedURLClassLoader，该类继承了java.net.URLClassLoader,重写了java.lang.ClassLoader#loadClass(java.lang.String, boolean)，然后我们再探讨他是如何修改双亲委派机制。

在上面我们讲到Spring boot支持多个’!/‘以表示多个jar，而我们的问题在于，如何解决查找到这多个jar包。我们看一下LaunchedURLClassLoader的构造方法。

public LaunchedURLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) { super(urls, parent);  
}

urls注释解释道the URLs from which to load classes and resources，即fat jar包依赖的所有类和资源，将该urls参数传递给父类java.net.URLClassLoader，由父类的java.net.URLClassLoader#findClass执行查找类方法，该类的查找来源即构造方法传递进来的urls参数。

//LaunchedURLClassLoader的实现  protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { Handler.setUseFastConnectionExceptions(true); try { try { //尝试根据类名去定义类所在的包，即java.lang.Package，确保jar in jar里匹配的manifest能够和关联               //的package关联起来  definePackageIfNecessary(name);  
      } catch (IllegalArgumentException ex) { // Tolerate race condition due to being parallel capable  if (getPackage(name) == null) { // This should never happen as the IllegalArgumentException indicates  // that the package has already been defined and, therefore,  // getPackage(name) should not return null.  //这里异常表明，definePackageIfNecessary方法的作用实际上是预先过滤掉查找不到的包  throw new AssertionError("Package " + name + " has already been " + "defined but it could not be found");  
         }  
      } return super.loadClass(name, resolve);  
   } finally { Handler.setUseFastConnectionExceptions(false);  
   }  
}

方法super.loadClass(name, resolve)实际上会回到了java.lang.ClassLoader#loadClass(java.lang.String, boolean)，遵循双亲委派机制进行查找类，而Bootstrap ClassLoader和Extension ClassLoader将会查找不到fat jar依赖的类，最终会来到Application ClassLoader，调用java.net.URLClassLoader#findClass

如何真正的启动

Springboot2和Springboot1的最大区别在于，Springboo1会新起一个线程，来执行相应的反射调用逻辑，而SpringBoot2则去掉了构建新的线程这一步。

方法是org.springframework.boot.loader.Launcher#launch(java.lang.String[], java.lang.String, java.lang.ClassLoader)反射调用逻辑比较简单，这里就不再分析，比较关键的一点是，在调用main方法之前，将当前线程的上下文类加载器设置成LaunchedURLClassLoader

protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader) throws Exception { Thread.currentThread().setContextClassLoader(classLoader); createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader).run();  
}

Demo

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, MalformedURLException { 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:/E:/IdeaProjects/oneday-auth/oneday-auth-server/target/oneday-auth-server-1.0.0-SNAPSHOT.jar!/BOOT-INF/lib/spring-boot-loader-1.2.3.RELEASE.jar!/")  
                        , new URL("jar:file:/E:/IdeaProjects/oneday-auth/oneday-auth-server/target/oneday-auth-server-1.0.0-SNAPSHOT.jar!/BOOT-INF/lib/spring-boot-2.1.3.RELEASE.jar!/")  
                }, Application.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"); //        SpringApplication.run(Application.class, args);  }

  <dependency> <groupId>org.springframework.bootgroupId> <artifactId>spring-boot-loaderartifactId> <version>2.1.3.RELEASEversion> dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.bootgroupId> <artifactId>spring-boot-maven-pluginartifactId> <version>2.1.3.RELEASEversion> dependency>