彻底搞懂 SpringBoot jar 可执行原理

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文章篇幅较长，但是包含了SpringBoot 可执行jar包从头到尾的原理，请读者耐心观看。

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.boot</groupId>  
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>  
    <executions>  
        <execution>  
            <goals>  
                <goal>repackage</goal>  
            </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.  
* <ul>  
* <li>A nested {@link JarFile} can be {@link #getNestedJarFile(ZipEntry) obtained} based  
* on any directory entry.</li>  
* <li>A nested {@link JarFile} can be {@link #getNestedJarFile(ZipEntry) obtained} for  
* embedded JAR files (as long as their entry is not compressed).</li>  
</ul>  
**/

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.boot</groupId>  
    <artifactId>spring-boot-loader</artifactId>  
    <version>2.1.3.RELEASE</version>  
</dependency>  
<dependency>  
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>  
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>  
    <version>2.1.3.RELEASE</version>  

</dependency>