HotSpot學習（二）：虛擬機器的啟動過程原始碼解析
阿新 • • 發佈：2021-01-07
1. 前言
上文介紹了HotSpot編譯和除錯的方法，而這篇文章將邁出正式除錯的第一步——除錯HotSpot的啟動過程。
學習啟動過程可以幫助我們瞭解程式的入口，並對虛擬機器的執行有個整體的把握，方便日後深入學習具體的一些模組。
2. 整體感知啟動過程
整體的感知啟動過程可以在啟動時新增_JAVA_LAUNCHER_DEBUG=1的環境變數。這樣JVM會輸出詳細的列印。
通過這些列印，我們大致能瞭解到啟動過程發生了什麼。
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG---- Launcher state: debug:on javargs:off program name:java launcher name:openjdk javaw:off fullversion:1.8.0-internal-debug-xieshang_2020_12_18_09_49-b00 dotversion:1.8 ergo_policy:DEFAULT_ERGONOMICS_POLICY Command line args: argv[0] = /home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/bin/java argv[1] = com.insanexs/HelloHotspot JRE path is /home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk jvm.cfg[0] = ->-server<- jvm.cfg[1] = ->-client<- 1 micro seconds to parse jvm.cfg Default VM: server Does `/home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/lib/amd64/server/libjvm.so' exist ... yes. mustsetenv: FALSE JVM path is /home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/lib/amd64/server/libjvm.so 1 micro seconds to LoadJavaVM JavaVM args: version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 5 option[ 0] = '-Dsun.java.launcher.diag=true' option[ 1] = '-Djava.class.path=/home/xieshang/learn-open-jdk' option[ 2] = '-Dsun.java.command=com.insanexs/HelloHotspot' option[ 3] = '-Dsun.java.launcher=SUN_STANDARD' option[ 4] = '-Dsun.java.launcher.pid=4485' 1 micro seconds to InitializeJVM Main class is 'com.insanexs/HelloHotspot' App's argc is 0 1 micro seconds to load main class ----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
從上面的列印大致可以看出有這麼幾步：
- 列印了啟動器的狀態，包括版本號、程式名等
- 列印了傳給程式命令列引數，第一個是java命令的相信路徑，第二個虛擬機器將要執行的java程式碼
- 解析JRE路徑，解析jvm.cfg
- 載入libjvm庫
- 解析虛擬機器引數
- 初始化虛擬機器
- 虛擬機器載入要執行的Java主類，解析引數並執行
3. 啟動過程說明
我們就以上面劃分的階段為整體脈絡，再深入的看看各階段的具體邏輯。
3.1 啟動入口
虛擬機器程式執行的入口是在main.c/main方法中。之後會呼叫java.c/JLI_Launch方法。
int JLI_Launch(int argc, char ** argv, /* main argc, argc */ int jargc, const char** jargv, /* java args */ int appclassc, const char** appclassv, /* app classpath */ const char* fullversion, /* full version defined */ const char* dotversion, /* dot version defined */ const char* pname, /* program name */ const char* lname, /* launcher name */ jboolean javaargs, /* JAVA_ARGS */ jboolean cpwildcard, /* classpath wildcard*/ jboolean javaw, /* windows-only javaw */ jint ergo /* ergonomics class policy */ ) { /************************** 前期初始化工作和狀態列印 ********************/ int mode = LM_UNKNOWN; char *what = NULL; char *cpath = 0; char *main_class = NULL; int ret; InvocationFunctions ifn; //和建立虛擬機器相關的結構體 指向三個關鍵的函式 jlong start, end; char jvmpath[MAXPATHLEN]; char jrepath[MAXPATHLEN]; char jvmcfg[MAXPATHLEN]; _fVersion = fullversion; _dVersion = dotversion; _launcher_name = lname; _program_name = pname; _is_java_args = javaargs; _wc_enabled = cpwildcard; _ergo_policy = ergo; InitLauncher(javaw); DumpState(); //列印相關狀態 //列印引數 if (JLI_IsTraceLauncher()) { int i; printf("Command line args:\n"); for (i = 0; i < argc ; i++) { printf("argv[%d] = %s\n", i, argv[i]); } AddOption("-Dsun.java.launcher.diag=true", NULL); } /************************** 檢驗版本 ********************/ /* * Make sure the specified version of the JRE is running. * * There are three things to note about the SelectVersion() routine: * 1) If the version running isn't correct, this routine doesn't * return (either the correct version has been exec'd or an error * was issued). * 2) Argc and Argv in this scope are *not* altered by this routine. * It is the responsibility of subsequent code to ignore the * arguments handled by this routine. * 3) As a side-effect, the variable "main_class" is guaranteed to * be set (if it should ever be set). This isn't exactly the * poster child for structured programming, but it is a small * price to pay for not processing a jar file operand twice. * (Note: This side effect has been disabled. See comment on * bugid 5030265 below.) */ SelectVersion(argc, argv, &main_class); //版本檢測 /************************** 建立執行環境 ********************/ CreateExecutionEnvironment(&argc, &argv, jrepath, sizeof(jrepath), jvmpath, sizeof(jvmpath), jvmcfg, sizeof(jvmcfg));//解析相關環境 獲取jre路徑、jvmlib庫和jvm.cfg /************************** 設定虛擬機器環境 ********************/ if (!IsJavaArgs()) { SetJvmEnvironment(argc,argv); } ifn.CreateJavaVM = 0; ifn.GetDefaultJavaVMInitArgs = 0; if (JLI_IsTraceLauncher()) { start = CounterGet(); } /************************** 載入虛擬機器 ********************/ if (!LoadJavaVM(jvmpath, &ifn)) { //載入 主要是從jvmlib庫中解析函式地址 賦值給ifn return(6); } if (JLI_IsTraceLauncher()) { end = CounterGet(); } JLI_TraceLauncher("%ld micro seconds to LoadJavaVM\n", (long)(jint)Counter2Micros(end-start)); ++argv; --argc; if (IsJavaArgs()) { /* Preprocess wrapper arguments */ TranslateApplicationArgs(jargc, jargv, &argc, &argv); if (!AddApplicationOptions(appclassc, appclassv)) { return(1); } } else { /* Set default CLASSPATH */ cpath = getenv("CLASSPATH"); //新增CLASSPATH if (cpath == NULL) { cpath = "."; } SetClassPath(cpath); } /************************** 解析引數 ********************/ /* Parse command line options; if the return value of * ParseArguments is false, the program should exit. */ if (!ParseArguments(&argc, &argv, &mode, &what, &ret, jrepath)) { return(ret); } /* Override class path if -jar flag was specified */ if (mode == LM_JAR) { //如果是java -jar 則覆蓋classpath SetClassPath(what); /* Override class path */ } /* set the -Dsun.java.command pseudo property */ //解析特殊屬性 SetJavaCommandLineProp(what, argc, argv); /* Set the -Dsun.java.launcher pseudo property */ SetJavaLauncherProp(); /* set the -Dsun.java.launcher.* platform properties */ SetJavaLauncherPlatformProps(); /************************** 初始化虛擬機器 ********************/ return JVMInit(&ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret); }
這個方法比較長，但是可以劃分為幾個部分去分析：
3.1.1 前期初始化工作和狀態列印
這裡的初始化部分包括一些引數值的宣告，特殊結構體InvocationFuntions的宣告，啟動器的初始化。
其中宣告的引數會在後續的啟動過程用來儲存相關資訊，例如儲存JVM、JRE相關路徑等。
InvocationFuntions是個重要的結構體，其中包含了建立JVM會被呼叫的三個函式指標。
typedef struct { CreateJavaVM_t CreateJavaVM; //指向負責建立JavaVM和JNIEnv結構的函式指標 GetDefaultJavaVMInitArgs_t GetDefaultJavaVMInitArgs; //指向獲取預設JVM初始引數的函式指標 GetCreatedJavaVMs_t GetCreatedJavaVMs; //指向獲取JVM的函式指標 } InvocationFunctions;
InitLaucher方法主要就是根據_JAVA_LAUNCHER_DEBUG這個環境變數會決定後續是否輸出DEBUG的列印。
在開啟了launcher_debug後，DumpState()方法會打印出啟動狀態，並且之後打印出命令列引數。
3.1.2 檢驗版本
SelectVersion會驗證使用者指定的java版本和實際執行的java版本是否相容，如果不相容會退出程序。使用者可以通過_JAVA_VERSION_SET的環境變數或是jar包中manifest檔案等方式指定執行的java版本。
3.1.3 建立執行環境
CreateExecutionEnvironment會為後續的啟動建立執行環境，這一步驟中主要是確定jdk所在的路徑，解析jvmcfg和確認libjvm是否存在等。
- 主要是根據處理器型別和主路徑確定出JRE的路徑
- 以同樣的方式確定jvm.cfg的檔案位置，並解析jvm.cfg（jvm.cfg裡面是一些虛擬機器的預設配置，如常見的指定以客戶端或服務端模式執行）
- 檢查虛擬機器型別(-server/-client)，可以是jvm.cfg指定或是由啟動引數指定
- 確定libjvm庫的位置，校驗庫是否存在，這個庫核心的函式庫
3.1.4 設定虛擬機器環境
SetJvmEnviroment主要解析NativeMemoryTracking引數，可以用來追蹤本地記憶體的使用情況
3.1.5 載入虛擬機器
前期環境準備好之後，LoadJavaVM()會從之前確定的路徑，載入libjvm庫，並將其中的庫中JNI_CreateJavaVM,JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs和JNI_GetCreatedJavaVMs三個函式賦值給ifn。
這三個函式會在之後建立虛擬機器時被使用。
3.1.6 解析引數
這裡有兩個部分，一是解析命令列傳入的引數，看是否有特定的JVM配置選項。這些引數會被用於後續虛擬機器的建立上。這一過程主要發生在ParseArguments()中。另一個部分就是新增一些特定的虛擬機器引數，發生在SetJavaCommandLineProp、SetJavaLaucherProp和SetJavaLaucherPlatformProps中。
3.1.7 虛擬機器初始化
在環境都準備好之後，會由JVMInit()執行虛擬機器初始化工作，首先會通過ShowSplashScreen()方法載入啟動動畫，之後會進入CountinueInNewThread()方法，由新的執行緒負責建立虛擬機器的工作。
3.2 在新執行緒中繼續虛擬機器的建立
通過上文的介紹，我們找到了java.c/ConutinueInNewThread()的方法。這個方法分為兩個部分，第一部分就是確定執行緒棧的深度，第二部分就是由ContinueInNewThread0()這個方法實現真正的虛擬機器建立過程。
int
ContinueInNewThread0(int (JNICALL *continuation)(void *), jlong stack_size, void * args) {
int rslt;
#ifndef __solaris__
pthread_t tid;
//宣告執行緒屬性
pthread_attr_t attr;
//初始化執行緒屬性並設定相關屬性值
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
//設定執行緒棧深度
if (stack_size > 0) {
pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
}
//建立執行緒並執行方法
if (pthread_create(&tid, &attr, (void *(*)(void*))continuation, (void*)args) == 0) { //建立執行緒 並將執行函式的起始地址和執行引數傳入
void * tmp;
pthread_join(tid, &tmp);//阻塞當前執行緒 等待新執行緒執行結束返回
rslt = (int)tmp;
} else {
/*
* Continue execution in current thread if for some reason (e.g. out of
* memory/LWP) a new thread can't be created. This will likely fail
* later in continuation as JNI_CreateJavaVM needs to create quite a
* few new threads, anyway, just give it a try..
*/
rslt = continuation(args);
}
pthread_attr_destroy(&attr);
#else /* __solaris__ */
thread_t tid;
long flags = 0;
if (thr_create(NULL, stack_size, (void *(*)(void *))continuation, args, flags, &tid) == 0) {
void * tmp;
thr_join(tid, NULL, &tmp);
rslt = (int)tmp;
} else {
/* See above. Continue in current thread if thr_create() failed */
rslt = continuation(args);
}
#endif /* !__solaris__ */
return rslt;
}
在這個方法中，首先呼叫了pthread_create()函式建立了一個新執行緒，同時舊執行緒被jion等待新執行緒執行完成後返回。
pthread_create()是unix作業系統建立執行緒的函式，它的第一個引數表示執行緒標識，第二引數表示執行緒屬性，第三個引數表示建立執行緒所要執行函式的地址，第四個引數則是將要執行的函式的引數。
等到新執行緒執行完成後，舊的執行緒也會返回。此時說明執行結束，程序將會退出。
需要注意的是此時傳入的函式地址，它是指向java.c/JavaMain()函式。也就是說新建立的執行緒將會開始執行該函式。
3.3 虛擬機器建立、Java程式執行的主過程——JavaMain
新建立的執行緒會去執行JavaMain()函式，正式進入了建立虛擬機器、執行Java程式碼的過程。
int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{
/*********************獲取相關引數****************************/
JavaMainArgs *args = (JavaMainArgs *)_args;
int argc = args->argc;
char **argv = args->argv;
int mode = args->mode;
char *what = args->what;
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;
int ret = 0;
jlong start, end;
RegisterThread();
/*******************初始化JVM、列印相關資訊********************************/
start = CounterGet();
if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
exit(1);
}
if (showSettings != NULL) {
ShowSettings(env, showSettings);
CHECK_EXCEPTION_LEAVE(1);
}
if (printVersion || showVersion) {
PrintJavaVersion(env, showVersion);
CHECK_EXCEPTION_LEAVE(0);
if (printVersion) {
LEAVE();
}
}
/* If the user specified neither a class name nor a JAR file */
if (printXUsage || printUsage || what == 0 || mode == LM_UNKNOWN) {
PrintUsage(env, printXUsage);
CHECK_EXCEPTION_LEAVE(1);
LEAVE();
}
FreeKnownVMs(); /* after last possible PrintUsage() */
if (JLI_IsTraceLauncher()) {
end = CounterGet();
JLI_TraceLauncher("%ld micro seconds to InitializeJVM\n",
(long)(jint)Counter2Micros(end-start));
}
/* At this stage, argc/argv have the application's arguments */
//列印Java程式的引數
if (JLI_IsTraceLauncher()){
int i;
printf("%s is '%s'\n", launchModeNames[mode], what);
printf("App's argc is %d\n", argc);
for (i=0; i < argc; i++) {
printf(" argv[%2d] = '%s'\n", i, argv[i]);
}
}
/******************獲取Java程式的主類***************************/
ret = 1;
/*
* Get the application's main class.
*
* See bugid 5030265. The Main-Class name has already been parsed
* from the manifest, but not parsed properly for UTF-8 support.
* Hence the code here ignores the value previously extracted and
* uses the pre-existing code to reextract the value. This is
* possibly an end of release cycle expedient. However, it has
* also been discovered that passing some character sets through
* the environment has "strange" behavior on some variants of
* Windows. Hence, maybe the manifest parsing code local to the
* launcher should never be enhanced.
*
* Hence, future work should either:
* 1) Correct the local parsing code and verify that the
* Main-Class attribute gets properly passed through
* all environments,
* 2) Remove the vestages of maintaining main_class through
* the environment (and remove these comments).
*
* This method also correctly handles launching existing JavaFX
* applications that may or may not have a Main-Class manifest entry.
*/
mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);//載入mainClass
CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainClass);
/*
* In some cases when launching an application that needs a helper, e.g., a
* JavaFX application with no main method, the mainClass will not be the
* applications own main class but rather a helper class. To keep things
* consistent in the UI we need to track and report the application main class.
*/
appClass = GetApplicationClass(env); //獲取application class
NULL_CHECK_RETURN_VALUE(appClass, -1);
/*
* PostJVMInit uses the class name as the application name for GUI purposes,
* for example, on OSX this sets the application name in the menu bar for
* both SWT and JavaFX. So we'll pass the actual application class here
* instead of mainClass as that may be a launcher or helper class instead
* of the application class.
*/
PostJVMInit(env, appClass, vm); // JVM 初始化後置處理
/*
* The LoadMainClass not only loads the main class, it will also ensure
* that the main method's signature is correct, therefore further checking
* is not required. The main method is invoked here so that extraneous java
* stacks are not in the application stack trace.
*/
/******************找主類的main方法************************/
mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V"); //獲取main class的 main(String[] args)方法
CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainID);
/*******************封裝引數，呼叫main方法*****************/
/* Build platform specific argument array */
mainArgs = CreateApplicationArgs(env, argv, argc); //封裝 main(String[] args) 方法的引數args
CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainArgs);
/* Invoke main method. */
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs); //呼叫main(String args)方法
/*
* The launcher's exit code (in the absence of calls to
* System.exit) will be non-zero if main threw an exception.
*/
/*******************獲取執行結果 並退出虛擬機器**************/
ret = (*env)->ExceptionOccurred(env) == NULL ? 0 : 1; //根據是否有異常 確定退出碼
LEAVE(); //執行緒解綁 銷燬JVM
}
3.3.1 引數解析
之前上文解析得到的命令列引數等都被封裝在JavaMainArgs結構體中，傳給了JavaMain方法。因此需要從這個結構體中取回引數。
另外，還建立了一些變數用於之後的過程中儲存值，譬如jclass，jmethodID等。
3.3.2 初始化虛擬機器，列印相關資訊
上述程式碼中的InitializeJVM()方法會負責虛擬機器的初始化過程。其程式碼如下：
static jboolean
InitializeJVM(JavaVM **pvm, JNIEnv **penv, InvocationFunctions *ifn)
{
JavaVMInitArgs args;
jint r;
memset(&args, 0, sizeof(args));
args.version = JNI_VERSION_1_2;
args.nOptions = numOptions;
args.options = options;
args.ignoreUnrecognized = JNI_FALSE;
if (JLI_IsTraceLauncher()) {
int i = 0;
printf("JavaVM args:\n ");
printf("version 0x%08lx, ", (long)args.version);
printf("ignoreUnrecognized is %s, ",
args.ignoreUnrecognized ? "JNI_TRUE" : "JNI_FALSE");
printf("nOptions is %ld\n", (long)args.nOptions);
for (i = 0; i < numOptions; i++)
printf(" option[%2d] = '%s'\n",
i, args.options[i].optionString);
}
r = ifn->CreateJavaVM(pvm, (void **)penv, &args); //通過ifn的函式指標 呼叫CreateJavaVM函式初始化JavaVM 和 JNIEnv
JLI_MemFree(options);
return r == JNI_OK;
}
先獲取虛擬機器引數，在通過ifn結構體中CreateJavaVM指標，呼叫正式建立Java虛擬機器的函式JNI_CreateJavaVM。
JNI_CreateJavaVM程式碼的主要流程如下：
- 先由
Threads::create_vm()方法建立虛擬機器 - 給兩個重要的指標賦值，分別是JavaVM * 和 JNIEnv
- 一些後置處理，例如通過JVMTI（可以說是虛擬機器的工具介面，提供了對虛擬機器除錯、監測等等的功能）、事件提交等
針對第一點，Threads::create_vm()是負責建立虛擬機器，整個過程相對複雜，需要初始化很多模組，建立虛擬機器的後臺執行緒，載入必要的類等等，這裡不做深入分析。之後有時間可以單獨分析這一過程。
針對第二點中提到的兩個資料結構，非常重要。我們可以看看它們的具體的內容。
JavaVM
JavaVM結構內部包的是JNIInvokeInterface_結構，因此我們直接看一下JNIInvokeInterface_的結構
struct JNIInvokeInterface_ {
//預留欄位
void *reserved0;
void *reserved1;
void *reserved2;
jint (JNICALL *DestroyJavaVM)(JavaVM *vm); //銷燬虛擬機器的函式指標
jint (JNICALL *AttachCurrentThread)(JavaVM *vm, void **penv, void *args); //繫結執行緒的函式指標
jint (JNICALL *DetachCurrentThread)(JavaVM *vm); //解綁執行緒的函式指標
jint (JNICALL *GetEnv)(JavaVM *vm, void **penv, jint version); //獲取JNIEnv結構的函式指標
jint (JNICALL *AttachCurrentThreadAsDaemon)(JavaVM *vm, void **penv, void *args);//將執行緒轉為後臺執行緒
};
可以看到主要是一些和虛擬機器操作的相關函式。
JNIEnv
JNIEnv結構內部包的是JNINativeInterface結構，這個結構同樣定義了很多函式指標，程式碼太長，這裡就不直接貼出了。有興趣的可以在jni.h中自行檢視。如果對結構中的方法分類的話，可以分成以下幾類：
- 獲取虛擬機器資訊
- 獲取相關類和方法，方法執行
- 獲取/設定物件欄位
- 靜態方法、靜態變數的獲取與設定
- 常見型別的物件的建立和釋放
- 建立直接記憶體、訪問鎖等
總之，提供了通過C++程式碼訪問Java程式的能力（這對於從事JNI開發的人來說十分重要）。
3.3.3 確定Java程式的主類
瞭解完成虛擬機器的初始化過程後，再回到JavaMain()方法中，之後是通過LoadMainClass()或GetApplicationClass()方法確定Java程式碼的主類。
如果我們在執行指定了Java類，那麼這個類就是主類。這裡還會呼叫LauncherHelper.checkAndLoadMain()檢驗主類是否合法。LauncherHelper的Java程式碼，這裡就是上面介紹的JNIEnv的能力在C++的程式碼中執行Java程式碼。
對於一些沒有主類的程式，需要通過LaucherHelper.getApplicationClass()確定程式類。
3.3.4 從主類中獲取main方法的methodID，並呼叫方法
再確定了mainClass之後，還需要找到該類定義的main()，獲取main()方法，然後將程式引數封裝，傳遞給main()執行，執行緒會以此為入口，開始執行Java程式。
這裡的找方法和執行方法同樣是依賴了JNIEnv中GetStaticMethodID和CallStaticVoidMethod。
所以我們的main()方法總是static void的。
3.3.5 獲取執行結果，退出虛擬機器
當執行緒從Main()方法中返回，說明Java程式已經執行完成(或是異常退出)，這時候虛擬機器會檢查執行結果，並解綁執行緒銷燬虛擬機器，最終退出。