HotSpot的啟動過程（配視訊進行原始碼分析）
本文將詳細介紹HotSpot的啟動過程，啟動過程涉及到的邏輯比較複雜，細節也比較多，為了讓大家更快的瞭解這部分知識，我錄製了對應的視訊放到了B站上，大家可以參考。
第4節-HotSpot的啟動過程
下面我們開始以文章的形式簡單介紹一下啟動過程。
HotSpot通常會通過java.exe或javaw.exe來呼叫/jdk/src/share/bin/main.c檔案中的main()函式來啟動虛擬機器，使用Eclipse進行除錯時，也會呼叫到這個入口。main.c的main()函式負責建立執行環境，以及啟動一個全新的執行緒去執行JVM的初始化和呼叫Java程式的main()方法。main()函式最終會阻塞當前執行緒，同時用另外一個執行緒去呼叫JavaMain()函式。main()函式的呼叫棧如下：
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
呼叫鏈的順序從上到下，下面簡單介紹一下涉及到的相關方法。
1、main()函式
首先就是main()方法，方法的實現如下：
原始碼位置：/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);
}
這個方法是Windows、UNIX、Linux以及Mac OS作業系統中C/C++的入口函式，而Windows的入口函式和其它的不太一樣，所以為了儘可能重用程式碼，這裡使用#ifdef條件編譯，所以對於基於Linux核心的Ubuntu來說，最終編譯的程式碼其實是如下的樣子：
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);
}
第一個引數，int型的argc，為整型，用來統計程式執行時傳送給main函式的命令列引數的個數；第二個引數，char型的argv[]，為字串陣列，用來存放指向的字串引數的指標陣列，每一個元素指向一個引數。
2、JLI_Launch()函式
JLI_Launch()函式進行了一系列必要的操作，如libjvm.so的載入、引數解析、Classpath的獲取和設定、系統屬性的設定、JVM 初始化等。函式會呼叫LoadJavaVM()載入libjvm.so並初始化相關引數，呼叫語句如下：
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的儲存路徑，而ifn是InvocationFunctions型別變數，InvocationFunctions的定義如下：
原始碼位置：/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;
可以看到結構體InvocationFunctions中定義了3個函式指標，3個函式的實現在libjvm.so這個動態連結庫中，檢視LoadJavaVM()函式後就可以看到有如下實現：
ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t) dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM"); ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs"); ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t) dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");
所以通過函式指標呼叫時，最終會呼叫到libjvm.so中對應的以JNI_Xxx開頭的方法，其中JNI_CreateJavaVM()方法會在InitializeJVM()函式中呼叫，用來初始化2個JNI呼叫時非常重要的2個引數JavaVM和JNIEnv，後面在介紹JNI時還會詳細介紹，這裡不做過多介紹。
3、JVMInit()函式
JVMInit()函式的原始碼如下：
原始碼位置：/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);
}
這個方法中沒有特別的邏輯，直接呼叫continueInNewThread()函式繼續執行相關邏輯。
4、ContinueInNewThread()函式
在JVMInit()函式中呼叫的ContinueInNewThread()函式的實現如下：
原始碼位置：/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;
}
}
在呼叫ContinueInNewThread0()函式時，傳遞了JavaMain函式指標和呼叫此函式需要的引數args。
5、ContinueInNewthread0()函式
ContinueInNewThread()函式呼叫的ContinueInNewThread0()函式的實現如下：
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); // 當前執行緒會阻塞在這裡
rslt = (int)tmp;
}
pthread_attr_destroy(&attr);
...
return rslt;
}
Linux 系統下（後面所說的Linux系統都是指基於Linux核心的作業系統）建立一個 pthread_t 執行緒，然後使用這個新建立的執行緒執行JavaMain()函式。
方法的第一個引數int (JNICALL continuation)(void )接收的就是JavaMain()函式的指標。關於指標函式與函式指標、以及Linux下建立執行緒的相關知識點後面會介紹，到時候這裡會給出連結。
下面就來看一下JavaMain()函式的實現，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，給JavaVM和JNIEnv物件正確賦值，通過呼叫InvocationFunctions結構體下
// 的CreateJavaVM()函式指標來實現，該指標在LoadJavaVM()函式中指向libjvm.so動態連結庫中JNI_CreateJavaVM()函式
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);
// ...
}
程式碼主要就是找出Java原始碼的main()方法，然後呼叫並執行。
- 呼叫InitializeJVM()函式初始化JVM，主要就是初始化2個非常重要的變數JavaVM與JNIEnv，在這裡不過多探討這個問題，後面在講解JNI呼叫時會詳細介紹初始化過程。
- 呼叫LoadMainClass()函式獲取Java程式的啟動類，對於前面舉過的例項來說，由於配置了引數 “com.test/Test"， 所以會查詢com.test.Test類。LoadMainClass()函式最終會呼叫libjvm.so中實現的JVM_FindClassFromBootLoader()方法來查詢啟動類，涉及到的邏輯比較多，後面在講解型別的載入時會介紹。
- 呼叫GetStaticMethodId()函式查詢Java啟動方法，其實就是獲取Test類中的main()方法。
- 呼叫JNIEnv中定義的CallStaticVoidMethod()方法，最終會呼叫JavaCalls::call()函式執行Test類中的main()方法。JavaCalls:call()函式是個非常重要的方法，後面在講解方法執行引擎時會詳細介紹。
以上步驟都還在當前執行緒的控制下。當控制權轉移到Test.main()之後當前執行緒就不再做其它事兒了，等Test.main()函式返回之後，當前執行緒會清理和關閉JVM。呼叫本地函式jni_DetachCurrentThread()斷開與主執行緒的連線。當成功與主執行緒斷開連線後，當前執行緒一直等待程式中所有的非守護執行緒全部執行結束，然後呼叫本地函式jni_DestroyJavaVM()對JVM執行銷燬。
其它文章：
1、在Ubuntu 16.04上編譯OpenJDK8的原始碼（配視訊）
2、除錯HotSpot原始碼（配視訊）
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