hotspot的啟動流程與main方法調用
虛擬機的使命就是執行public static void main(String[])方法，從虛擬機創建到main方法執行會經過一系列流程。這篇文章詳細討論了執行命令行java.exe HelloWorld調用main函數輸出經歷了什么。源碼使用openjdk12，操作系統為windows 64bits，其它系統和源碼版本大同小異。
java.base
首先要明白一個概念，java.exe大體上可以分為啟動器部分和hotspot部分。
啟動器負責執行一些命令行解析，環境初始化等任務，hotspot部分則是真正的虛擬機干活的地方。
啟動器是用C++寫的，如果不修改鏈接器入口點名字，執行java.exe xxx追根溯源必然會跟蹤到main函數。這個main位於
openjdk12\src\java.base\share\native\launcher\main.c，這里就是java啟動器的最終起源了：
#ifdef JAVAW
char **__initenv;
int WINAPI
WinMain(HINSTANCE inst, HINSTANCE previnst, LPSTR cmdline, int cmdshow)
{
int margc;
char** margv;
int jargc;
char** jargv;
const jboolean const_javaw = JNI_TRUE;
__initenv = _environ;
#else /* JAVAW */
JNIEXPORT int
main(int argc, char **argv)
{
int margc;
char** margv;
int jargc;
char** jargv;
const jboolean const_javaw = JNI_FALSE;
#endif /* JAVAW */
// 處理傳遞給啟動器的參數
return JLI_Launch(margc, margv,
jargc, (const char**) jargv,
0, NULL,
VERSION_STRING,
DOT_VERSION,
(const_progname != NULL) ? const_progname : *margv,
(const_launcher != NULL) ? const_launcher : *margv,
jargc > 0,
const_cpwildcard, const_javaw, 0);
}
如果用戶執行的是javaw.exe就進入WinMain入口，否則java.exe進入main入口。
在main中會處理啟動器的參數比如這種-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PauseAtExit ，處理完之后調用JLI_Launcher。多說一點，啟動器代碼也分為系統相關和系統無關，像java.base/linux,java.base/windows這種就是平台相關，java.base/share就是平台無關代碼。
java.base -> JLI_Launcher
JLI_Launcher位於openjdk12\src\java.base\share\native\libjli\java.c，
JNIEXPORT int JNICALL
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_class /* ergnomics policy */
);
JLI_Launcher做了很多重要的事情
- 定位jre
- 解析命令行，比如傳入
-XX:SDKGJ導致虛擬機退出就是在這里發生的。 - 加載jvm.dll，獲取JNI_CreateJavaVM等函數地址
第三點非常重要，它是啟動器調用hotspot JNI的橋梁。說着這么誇張，其實做起來是非常簡單的，就是LoadLibrary()加載jvm.dll然后GetProcAddress()運行時獲取JNI_CreateJavaVM地址轉化為函數指針，對應linux的dlopen,dlsym。然后經過一些中轉，啟動器會走到JavaMain。
jaba.base -> JLI_Launcher -> JavaMain
JavaMain維護hotspot的一個生命周期，它溝通java啟動器與hotspot世界，完成java.exe的功能：
int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{
...
/* 初始化虛擬機 */
start = CounterGet();
/* 這里初始化虛擬機調用的就是之前提到的在jvm.dll里面獲取到的JNI_CreateJavaVM函數指針
* 可以說，這里的JNI_CreateJavaVM是hotspot世界最先出現的地方
*/
if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
exit(1);
}
/* 對虛擬機啟動進行性能profiling */
if (JLI_IsTraceLauncher()) {
end = CounterGet();
JLI_TraceLauncher("%ld micro seconds to InitializeJVM\n",
(long)(jint)Counter2Micros(end-start));
}
ret = 1;
/* 加載main函數所在的類 */
mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);
CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainClass);
/* 對GUI程序的支持 */
appClass = GetApplicationClass(env);
mainArgs = CreateApplicationArgs(env, argv, argc);
if (dryRun) {
ret = 0;
LEAVE();
}
PostJVMInit(env, appClass, vm);
/* 獲取main方法id */
mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
/* main方法調用 */
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
/* 啟動器的返回值(非System.exit退出) */
ret = (*env)->ExceptionOccurred(env) == NULL ? 0 : 1;
LEAVE();
}
JavaMain這個函數做了我們通常意義上所認為啟動器應該做的事情，它：
- 初始化虛擬機，
- 獲取main所在的類
- 調用main方法
- 處理返回值
到這里java啟動器流程基本上已經清晰了，但是旅程並未結束。除了java啟動器外，本文還想探究一下main方法的調用。
jaba.base -> JLI_Launcher -> JavaMain -> CallStaticVoidMethod
首先，歡迎來到hotspot的世界。前面說到main方法的調用是這么一行代碼：
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
那么它是怎么進入hotspot的世界的呢，要回答這個問題得看看env這是個什么東西。
env類似於這樣一個結構：
struct P{
void (*jni_f1)(int,int);
void (*jni_f2)();
void (*jni_f3)(double);
};
P* env;
然后(*env)->jni_f1(3,4)調用的就是這個jni_f1函數指針，這些指針指向的是hotspot/share/primes/jni.cpp里面的入口點。
jaba.base -> JLI_Launcher -> JavaMain -> CallStaticVoidMethod -> JavaCalls::call
回到上面的代碼，CallStaticVoidMethod函數指針指向的就是JNI里面的函數：
JNI_ENTRY(void, jni_CallStaticVoidMethod(JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, ...))
JNIWrapper("CallStaticVoidMethod");
HOTSPOT_JNI_CALLSTATICVOIDMETHOD_ENTRY(env, cls, (uintptr_t) methodID);
DT_VOID_RETURN_MARK(CallStaticVoidMethod);
va_list args;
va_start(args, methodID);
JavaValue jvalue(T_VOID);
JNI_ArgumentPusherVaArg ap(methodID, args);
jni_invoke_static(env, &jvalue, NULL, JNI_STATIC, methodID, &ap, CHECK);
va_end(args);
JNI_END
static void jni_invoke_static(JNIEnv *env, JavaValue* result, jobject receiver, JNICallType call_type, jmethodID method_id, JNI_ArgumentPusher *args, TRAPS) {
methodHandle method(THREAD, Method::resolve_jmethod_id(method_id));
// 創建java調用的參數
ResourceMark rm(THREAD);
int number_of_parameters = method->size_of_parameters();
JavaCallArguments java_args(number_of_parameters);
args->set_java_argument_object(&java_args);
assert(method->is_static(), "method should be static");
args->iterate( Fingerprinter(method).fingerprint() );
// 初始化返回值類型
result->set_type(args->get_ret_type());
// main方法調用
JavaCalls::call(result, method, &java_args, CHECK);
// 返回值轉換
if (result->get_type() == T_OBJECT || result->get_type() == T_ARRAY) {
result->set_jobject(JNIHandles::make_local(env, (oop) result->get_jobject()));
}
}
jni_CallStaticVoidMethod只是處理了一下可變參數，其他工作交給jni_invoke_static。這個函數會把之前傳入的命令行參數轉換為虛擬機里面的oop對象，然后最終通過JavaCalls::call調用了main函數。這不是個特例，java的所有方法調用都是通過JavaCalls::call調用的，它會創建解釋執行所需的棧幀，然后識別hotspot的模板解釋器入口點，進入這個入口點執行字節碼，當然這都是后話，如果有的話...