面試官：為什么 Spring Boot 的 jar 可以直接運行界拦？

來自：Gormat's Notes（作者：Format）
原文鏈接：
http://fangjian0423.github.io/2017/05/31/springboot-executable-jar/

Spring Boot Loader抽象的一些類
JarLauncher的執(zhí)行過程
關(guān)于自定義的類加載器LaunchedURLClassLoader
Spring Boot Loader的作用
SpringBoot提供了一個插件spring-boot-maven-plugin用于把程序打包成一個可執(zhí)行的jar包亡容。在pom文件里加入這個插件即可：

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

打包完生成的executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下：

├── META-INF
│   ├── MANIFEST.MF
│   └── maven
│       └── spring.study
│           └── executable-jar
│               ├── pom.properties
│               └── pom.xml
├── lib
│   ├── aopalliance-1.0.jar
│   ├── classmate-1.1.0.jar
│   ├── spring-boot-1.3.5.RELEASE.jar
│   ├── spring-boot-autoconfigure-1.3.5.RELEASE.jar
│   ├── ...
├── org
│   └── springframework
│       └── boot
│           └── loader
│               ├── ExecutableArchiveLauncher$1.class
│               ├── ...
└── spring
    └── study
        └── executablejar
            └── ExecutableJarApplication.class

然后可以直接執(zhí)行jar包就能啟動程序了：

java -jar executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar

打包出來fat jar內(nèi)部有4種文件類型：
META-INF文件夾：程序入口，其中MANIFEST.MF用于描述jar包的信息
lib目錄：放置第三方依賴的jar包，比如springboot的一些jar包
spring boot loader相關(guān)的代碼
模塊自身的代碼
MANIFEST.MF文件的內(nèi)容：

Manifest-Version: 1.0
Implementation-Title: executable-jar
Implementation-Version: 1.0-SNAPSHOT
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: Format
Start-Class: spring.study.executablejar.ExecutableJarApplication
Implementation-Vendor-Id: spring.study
Spring-Boot-Version: 1.3.5.RELEASE
Created-By: Apache Maven 3.2.3
Build-Jdk: 1.8.0_20
Implementation-Vendor: Pivotal Software, Inc.
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

我們看到问窃，它的Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher，當我們使用java -jar執(zhí)行jar包的時候會調(diào)用JarLauncher的main方法完沪，而不是我們編寫的SpringApplication域庇。
那么JarLauncher這個類是的作用是什么的？
它是SpringBoot內(nèi)部提供的工具Spring Boot Loader提供的一個用于執(zhí)行Application類的工具類(fat jar內(nèi)部有spring loader相關(guān)的代碼就是因為這里用到了)覆积。相當于Spring Boot Loader提供了一套標準用于執(zhí)行SpringBoot打包出來的jar
Spring Boot Loader抽象的一些類

抽象類Launcher：各種Launcher的基礎(chǔ)抽象類听皿，用于啟動應(yīng)用程序；跟Archive配合使用宽档；目前有3種實現(xiàn)尉姨，分別是JarLauncher、WarLauncher以及PropertiesLauncher
Archive：歸檔文件的基礎(chǔ)抽象類吗冤。JarFileArchive就是jar包文件的抽象又厉。它提供了一些方法比如getUrl會返回這個Archive對應(yīng)的URL；getManifest方法會獲得Manifest數(shù)據(jù)等椎瘟。ExplodedArchive是文件目錄的抽象
JarFile：對jar包的封裝覆致，每個JarFileArchive都會對應(yīng)一個JarFile。JarFile被構(gòu)造的時候會解析內(nèi)部結(jié)構(gòu)肺蔚，去獲取jar包里的各個文件或文件夾煌妈，這些文件或文件夾會被封裝到Entry中，也存儲在JarFileArchive中宣羊。如果Entry是個jar声旺，會解析成JarFileArchive。
比如一個JarFileArchive對應(yīng)的URL為：

jar:file:/Users/format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/

它對應(yīng)的JarFile為：

/Users/format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar

這個JarFile有很多Entry段只，比如：

META-INF/
META-INF/MANIFEST.MF
spring/
spring/study/
....
spring/study/executablejar/ExecutableJarApplication.class
lib/spring-boot-starter-1.3.5.RELEASE.jar
lib/spring-boot-1.3.5.RELEASE.jar
...

JarFileArchive內(nèi)部的一些依賴jar對應(yīng)的URL(SpringBoot使用org.springframework.boot.loader.jar.Handler處理器來處理這些URL)：

jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-starter-web-1.3.5.RELEASE.jar!/

jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-loader-1.3.5.RELEASE.jar!/org/springframework/boot/loader/JarLauncher.class

我們看到如果有jar包中包含jar腮猖，或者jar包中包含jar包里面的class文件，那么會使用 !/ 分隔開赞枕，這種方式只有org.springframework.boot.loader.jar.Handler能處理澈缺，它是SpringBoot內(nèi)部擴展出來的一種URL協(xié)議。
JarLauncher的執(zhí)行過程
JarLauncher的main方法：

public static void main(String[] args) {
    // 構(gòu)造JarLauncher炕婶，然后調(diào)用它的launch方法姐赡。參數(shù)是控制臺傳遞的
    new JarLauncher().launch(args);
}

JarLauncher被構(gòu)造的時候會調(diào)用父類ExecutableArchiveLauncher的構(gòu)造方法。
ExecutableArchiveLauncher的構(gòu)造方法內(nèi)部會去構(gòu)造Archive柠掂，這里構(gòu)造了JarFileArchive项滑。構(gòu)造JarFileArchive的過程中還會構(gòu)造很多東西，比如JarFile涯贞，Entry …
JarLauncher的launch方法：

protected void launch(String[] args) {
  try {
    // 在系統(tǒng)屬性中設(shè)置注冊了自定義的URL處理器：org.springframework.boot.loader.jar.Handler枪狂。如果URL中沒有指定處理器危喉，會去系統(tǒng)屬性中查詢
    JarFile.registerUrlProtocolHandler();
    // getClassPathArchives方法在會去找lib目錄下對應(yīng)的第三方依賴JarFileArchive，同時也會項目自身的JarFileArchive
    // 根據(jù)getClassPathArchives得到的JarFileArchive集合去創(chuàng)建類加載器ClassLoader州疾。這里會構(gòu)造一個LaunchedURLClassLoader類加載器辜限，這個類加載器繼承URLClassLoader，并使用這些JarFileArchive集合的URL構(gòu)造成URLClassPath
    // LaunchedURLClassLoader類加載器的父類加載器是當前執(zhí)行類JarLauncher的類加載器
    ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchives());
    // getMainClass方法會去項目自身的Archive中的Manifest中找出key為Start-Class的類
    // 調(diào)用重載方法launch
    launch(args, getMainClass(), classLoader);
  }
  catch (Exception ex) {
    ex.printStackTrace();
    System.exit(1);
  }
}

// Archive的getMainClass方法
// 這里會找出spring.study.executablejar.ExecutableJarApplication這個類
public String getMainClass() throws Exception {
 Manifest manifest = getManifest();
 String mainClass = null;
 if (manifest != null) {
  mainClass = manifest.getMainAttributes().getValue("Start-Class");
 }
 if (mainClass == null) {
  throw new IllegalStateException(
    "No 'Start-Class' manifest entry specified in " + this);
 }
 return mainClass;
}

// launch重載方法
protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader)
  throws Exception {
      // 創(chuàng)建一個MainMethodRunner严蓖，并把args和Start-Class傳遞給它
 Runnable runner = createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader);
      // 構(gòu)造新線程
 Thread runnerThread = new Thread(runner);
      // 線程設(shè)置類加載器以及名字薄嫡，然后啟動
 runnerThread.setContextClassLoader(classLoader);
 runnerThread.setName(Thread.currentThread().getName());
 runnerThread.start();
}

MainMethodRunner的run方法：

@Override
public void run() {
  try {
    // 根據(jù)Start-Class進行實例化
    Class<?> mainClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader()
        .loadClass(this.mainClassName);
    // 找出main方法
    Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);
    // 如果main方法不存在，拋出異常
    if (mainMethod == null) {
      throw new IllegalStateException(
          this.mainClassName + " does not have a main method");
    }
    // 調(diào)用
    mainMethod.invoke(null, new Object[] { this.args });
  }
  catch (Exception ex) {
    UncaughtExceptionHandler handler = Thread.currentThread()
        .getUncaughtExceptionHandler();
    if (handler != null) {
      handler.uncaughtException(Thread.currentThread(), ex);
    }
    throw new RuntimeException(ex);
  }
}

Start-Class的main方法調(diào)用之后颗胡，內(nèi)部會構(gòu)造Spring容器毫深，啟動內(nèi)置Servlet容器等過程。這些過程我們都已經(jīng)分析過了毒姨。
關(guān)于自定義的類加載器LaunchedURLClassLoader
LaunchedURLClassLoader重寫了loadClass方法哑蔫，也就是說它修改了默認的類加載方式(先看該類是否已加載這部分不變，后面真正去加載類的規(guī)則改變了手素，不再是直接從父類加載器中去加載)鸳址。LaunchedURLClassLoader定義了自己的類加載規(guī)則：

private Class<?> doLoadClass(String name) throws ClassNotFoundException {

  // 1) Try the root class loader
  try {
    if (this.rootClassLoader != null) {
      return this.rootClassLoader.loadClass(name);
    }
  }
  catch (Exception ex) {
    // Ignore and continue
  }

  // 2) Try to find locally
  try {
    findPackage(name);
    Class<?> cls = findClass(name);
    return cls;
  }
  catch (Exception ex) {
    // Ignore and continue
  }

  // 3) Use standard loading
  return super.loadClass(name, false);
}

加載規(guī)則：
如果根類加載器存在，調(diào)用它的加載方法泉懦。這里是根類加載是ExtClassLoader
調(diào)用LaunchedURLClassLoader自身的findClass方法稿黍，也就是URLClassLoader的findClass方法
調(diào)用父類的loadClass方法，也就是執(zhí)行默認的類加載順序(從BootstrapClassLoader開始從下往下尋找)
LaunchedURLClassLoader自身的findClass方法：

protected Class<?> findClass(final String name)
     throws ClassNotFoundException
{
    try {
        return AccessController.doPrivileged(
            new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                    // 把類名解析成路徑并加上.class后綴
                    String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                    // 基于之前得到的第三方j(luò)ar包依賴以及自己的jar包得到URL數(shù)組崩哩，進行遍歷找出對應(yīng)類名的資源
                    // 比如path是org/springframework/boot/loader/JarLauncher.class巡球，它在jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-loader-1.3.5.RELEASE.jar!/中被找出
                    // 那么找出的資源對應(yīng)的URL為jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-loader-1.3.5.RELEASE.jar!/org/springframework/boot/loader/JarLauncher.class
                    Resource res = ucp.getResource(path, false);
                    if (res != null) { // 找到了資源
                        try {
                            return defineClass(name, res);
                        } catch (IOException e) {
                            throw new ClassNotFoundException(name, e);
                        }
                    } else { // 找不到資源的話直接拋出ClassNotFoundException異常
                        throw new ClassNotFoundException(name);
                    }
                }
            }, acc);
    } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
        throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
    }
}

下面是LaunchedURLClassLoader的一個測試：

// 注冊org.springframework.boot.loader.jar.Handler URL協(xié)議處理器
JarFile.registerUrlProtocolHandler();
// 構(gòu)造LaunchedURLClassLoader類加載器，這里使用了2個URL邓嘹，分別對應(yīng)jar包中依賴包spring-boot-loader和spring-boot酣栈，使用 "!/" 分開，需要org.springframework.boot.loader.jar.Handler處理器處理
LaunchedURLClassLoader classLoader = new LaunchedURLClassLoader(
        new URL[] {
                new URL("jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-loader-1.3.5.RELEASE.jar!/")
                , new URL("jar:file:/Users/Format/Develop/gitrepository/springboot-analysis/springboot-executable-jar/target/executable-jar-1.0-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-boot-1.3.5.RELEASE.jar!/")
        },
        LaunchedURLClassLoaderTest.class.getClassLoader());

// 加載類
// 這2個類都會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");
// 在第三步使用默認的加載順序在ApplicationClassLoader中被找出
classLoader.loadClass("org.springframework.boot.autoconfigure.web.DispatcherServletAutoConfiguration");

Spring Boot Loader的作用
SpringBoot在可執(zhí)行jar包中定義了自己的一套規(guī)則汹押，比如第三方依賴jar包在/lib目錄下矿筝，jar包的URL路徑使用自定義的規(guī)則并且這個規(guī)則需要使用org.springframework.boot.loader.jar.Handler處理器處理。它的Main-Class使用JarLauncher棚贾，如果是war包窖维，使用WarLauncher執(zhí)行。這些Launcher內(nèi)部都會另起一個線程啟動自定義的SpringApplication類妙痹。
這些特性通過spring-boot-maven-plugin插件打包完成铸史。

面試官：為什么 Spring Boot 的 jar 可以直接運行？

面試官：為什么 Spring Boot 的 jar 可以直接運行囤攀？