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认识HotSpot虚拟机第4篇-HotSpot的启动过程原创

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鸠摩
3年前
822817

本文将详细介绍HotSpot的启动过程，启动过程涉及到的逻辑比较复杂，细节也比较多,下面我们开始以文章的形式简单介绍一下启动过程。

HotSpot通常会通过java.exe或javaw.exe来调用/jdk/src/share/bin/main.c文件中的main()函数来启动虚拟机，使用Eclipse进行调试时，也会调用到这个入口。main.c的main()函数负责创建运行环境，以及启动一个全新的线程去执行JVM的初始化和调用Java程序的main()方法。main()函数最终会阻塞当前线程，同时用另外一个线程去调用JavaMain()函数。main()函数的调用栈如下：

main()                     main.c
JLI_Launch()               java.c
JVMInit()                  java_md_solinux.c
ContinueInNewThread()      java.c
ContinueInNewThread0()     java_md_solinux.c
pthread_join()             pthread_join.c

调用链的顺序从上到下，下面简单介绍一下涉及到的相关方法。

1、main()函数

首先就是main()方法，方法的实现如下：

源代码位置：/openjdk/jdk/src/share/bin/main.c
 
#ifdef JAVAW
 
char **__initenv;
 
int WINAPI WinMain(HINSTANCE inst, HINSTANCE previnst, LPSTR cmdline, int cmdshow){
    int margc;
    char** margv;
    const jboolean const_javaw = JNI_TRUE;
 
    __initenv = _environ;
 
#else /* JAVAW */
int main(int argc, char **argv){
    int margc;
    char** margv;
    const jboolean const_javaw = JNI_FALSE;
#endif /* JAVAW */
#ifdef _WIN32
    {
        int i = 0;
        if (getenv(JLDEBUG_ENV_ENTRY) != NULL) {
            printf("Windows original main args:\n");
            for (i = 0 ; i < __argc ; i++) {
                printf("wwwd_args[%d] = %s\n", i, __argv[i]);
            }
        }
    }
    JLI_CmdToArgs(GetCommandLine());
    margc = JLI_GetStdArgc();
    // add one more to mark the end
    margv = (char **)JLI_MemAlloc((margc + 1) * (sizeof(char *)));
    {
        int i = 0;
        StdArg *stdargs = JLI_GetStdArgs();
        for (i = 0 ; i < margc ; i++) {
            margv[i] = stdargs[i].arg;
        }
        margv[i] = NULL;
    }
#else /* *NIXES */
    margc = argc;
    margv = argv;
#endif /* WIN32 */
    return    JLI_Launch(margc, margv,
                   sizeof(const_jargs) / sizeof(char *), const_jargs,
                   sizeof(const_appclasspath) / sizeof(char *), const_appclasspath,
                   FULL_VERSION,
                   DOT_VERSION,
                   (const_progname != NULL) ? const_progname : *margv,
                   (const_launcher != NULL) ? const_launcher : *margv,
                   (const_jargs != NULL) ? JNI_TRUE : JNI_FALSE,
                   const_cpwildcard, const_javaw, const_ergo_class);
}

这个方法是Windows、UNIX、Linux以及Mac OS操作系统中C/C++的入口函数，而Windows的入口函数和其它的不太一样，所以为了尽可能重用代码，这里使用#ifdef条件编译，所以对于基于Linux内核的Ubuntu来说，最终编译的代码其实是如下的样子：


int main(int argc, char **argv){
    int margc;
    char** margv;
    const jboolean const_javaw = JNI_FALSE;
    margc = argc;
    margv = argv;
    return    JLI_Launch(margc, margv,
                   sizeof(const_jargs) / sizeof(char *), const_jargs,
                   sizeof(const_appclasspath) / sizeof(char *), const_appclasspath,
                   FULL_VERSION,
                   DOT_VERSION,
                   (const_progname != NULL) ? const_progname : *margv,
                   (const_launcher != NULL) ? const_launcher : *margv,
                   (const_jargs != NULL) ? JNI_TRUE : JNI_FALSE,
                   const_cpwildcard, const_javaw, const_ergo_class);
}

第一个参数，int型的argc，为整型，用来统计程序运行时发送给main函数的命令行参数的个数；第二个参数，char型的argv[]，为字符串数组，用来存放指向的字符串参数的指针数组，每一个元素指向一个参数。

2、JLI_Launch()函数

JLI_Launch()函数进行了一系列必要的操作，如libjvm.so的加载、参数解析、Classpath的获取和设置、系统属性的设置、JVM 初始化等。函数会调用LoadJavaVM()加载libjvm.so并初始化相关参数，调用语句如下：

LoadJavaVM(jvmpath, &ifn)

其中jvmpath就是"/home/mazhi/workspace/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/lib/amd64/server/libjvm.so"，也就是libjvm.so的存储路径，而ifn是InvocationFunctions类型变量，InvocationFunctions的定义如下：

源代码位置：/home/mazhi/workspace/openjdk/jdk/src/share/bin/java.h
typedef jint (JNICALL *CreateJavaVM_t)(JavaVM **pvm, void **env, void *args);
typedef jint (JNICALL *GetDefaultJavaVMInitArgs_t)(void *args);
typedef jint (JNICALL *GetCreatedJavaVMs_t)(JavaVM **vmBuf, jsize bufLen, jsize *nVMs);
 
typedef struct {
    CreateJavaVM_t CreateJavaVM;
    GetDefaultJavaVMInitArgs_t GetDefaultJavaVMInitArgs;
    GetCreatedJavaVMs_t GetCreatedJavaVMs;
} InvocationFunctions;

可以看到结构体InvocationFunctions中定义了3个函数指针，3个函数的实现在libjvm.so这个动态链接库中，查看LoadJavaVM()函数后就可以看到有如下实现：

ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t) dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM");
ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs");
ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t) dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");

所以通过函数指针调用时，最终会调用到libjvm.so中对应的以JNI_Xxx开头的方法，其中JNI_CreateJavaVM()方法会在InitializeJVM()函数中调用，用来初始化2个JNI调用时非常重要的2个参数JavaVM和JNIEnv，后面在介绍JNI时还会详细介绍，这里不做过多介绍。

3、JVMInit()函数

JVMInit()函数的源代码如下：

源代码位置：/openjdk/jdk/src/solaris/bin/java_md_solinux.c
int JVMInit(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,
        int argc, char **argv,
        int mode, char *what, int ret){
    // ...
    return ContinueInNewThread(ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}

这个方法中没有特别的逻辑，直接调用continueInNewThread()函数继续执行相关逻辑。

4、ContinueInNewThread()函数

在JVMInit()函数中调用的ContinueInNewThread()函数的实现如下：


源代码位置：/openjdk/jdk/src/share/bin/java.c
int ContinueInNewThread(InvocationFunctions* ifn, jlong threadStackSize,
                    int argc, char **argv,
                    int mode, char *what, int ret){
     ... 
    { /* Create a new thread to create JVM and invoke main method */
      JavaMainArgs args;
      int rslt;
 
      args.argc = argc;
      args.argv = argv;
      args.mode = mode;
      args.what = what;
      args.ifn = *ifn;
 
      rslt = ContinueInNewThread0(JavaMain, threadStackSize, (void*)&args);
      /* If the caller has deemed there is an error we
       * simply return that, otherwise we return the value of
       * the callee
       */
      return (ret != 0) ? ret : rslt;
    }
}

在调用ContinueInNewThread0()函数时，传递了JavaMain函数指针和调用此函数需要的参数args。

5、ContinueInNewthread0()函数

ContinueInNewThread()函数调用的ContinueInNewThread0()函数的实现如下：

位置：/openjdk/jdk/src/solaris/bin/java_md_solinux.c
int ContinueInNewThread0(int (JNICALL *continuation)(void *), jlong stack_size, void * args) {
    int rslt;
    ...
    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
 
    if (stack_size > 0) {
      pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
    }
 
    if (pthread_create(&tid, &attr, (void *(*)(void*))continuation, (void*)args) == 0) {
      void * tmp;
      pthread_join(tid, &tmp);   // 当前线程会阻塞在这里
      rslt = (int)tmp;
    }
 
    pthread_attr_destroy(&attr);
    ...
    return rslt;
}

Linux 系统下（后面所说的Linux系统都是指基于Linux内核的操作系统）创建一个 pthread_t 线程，然后使用这个新创建的线程执行JavaMain()函数。

方法的第一个参数int (JNICALL continuation)(void )接收的就是JavaMain()函数的指针。关于指针函数与函数指针、以及Linux下创建线程的相关知识点后面会介绍，到时候这里会给出链接。

下面就来看一下JavaMain()函数的实现，如下：

位置：/openjdk/jdk/src/share/bin/java.c
int JNICALL  JavaMain(void * _args){
 
    JavaMainArgs *args = (JavaMainArgs *)_args;
    int argc = args->argc;
    char **argv = args->argv;
    InvocationFunctions ifn = args->ifn;
 
    JavaVM *vm = 0;
    JNIEnv *env = 0;
    jclass mainClass = NULL;
    jclass appClass = NULL; // actual application class being launched
    jmethodID mainID;
    jobjectArray mainArgs;
 
    // InitializeJVM 初始化JVM，给JavaVM和JNIEnv对象正确赋值，通过调用InvocationFunctions结构体下
    // 的CreateJavaVM()函数指针来实现，该指针在LoadJavaVM()函数中指向libjvm.so动态链接库中JNI_CreateJavaVM()函数
    if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
        JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
        exit(1);
    }
    // ...  
 
    mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);
 
    appClass = GetApplicationClass(env);
 
    mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V");
 
    /* Build platform specific argument array */
    mainArgs = CreateApplicationArgs(env, argv, argc);
 
    /* Invoke main method. */
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
 
    // ...
}

代码主要就是找出Java源代码的main()方法，然后调用并执行。

  1. 调用InitializeJVM()函数初始化JVM，主要就是初始化2个非常重要的变量JavaVM与JNIEnv，在这里不过多探讨这个问题，后面在讲解JNI调用时会详细介绍初始化过程。
  2. 调用LoadMainClass()函数获取Java程序的启动类，对于前面举过的实例来说，由于配置了参数 “com.test/Test"， 所以会查找com.test.Test类。LoadMainClass()函数最终会调用libjvm.so中实现的JVM_FindClassFromBootLoader()方法来查找启动类，涉及到的逻辑比较多，后面在讲解类型的加载时会介绍。
  3. 调用GetStaticMethodId()函数查找Java启动方法，其实就是获取Test类中的main()方法。
  4. 调用JNIEnv中定义的CallStaticVoidMethod()方法，最终会调用JavaCalls::call()函数执行Test类中的main()方法。JavaCalls:call()函数是个非常重要的方法，后面在讲解方法执行引擎时会详细介绍。

以上步骤都还在当前线程的控制下。当控制权转移到Test.main()之后当前线程就不再做其它事儿了，等Test.main()函数返回之后，当前线程会清理和关闭JVM。调用本地函数jni_DetachCurrentThread()断开与主线程的连接。当成功与主线程断开连接后，当前线程一直等待程序中所有的非守护线程全部执行结束，然后调用本地函数jni_DestroyJavaVM()对JVM执行销毁。
搭建过程中如果有问题可直接评论留言或加作者微信mazhimazh。

作者持续维护的个人博客 http://www.classloading.com。

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鸠摩

著有《深入解析Java编译器：源码剖析与实例详解》、《深入剖析Java虚拟机:源码剖析与实例详解》等书籍。公众号“深入剖析Java虚拟机HotSpot”作者

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鸠摩

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