[Inside hotspot]hotspot的啟動流程與main方法呼叫

JVM · 發表 2019-04-13 11:03:00

摘要： hotspot的啟動流程與main方法呼叫虛擬機器的使命就是執行public static void main(String[]) 方法，從虛擬機器建立到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列java.exe HelloWorld 呼叫main函...

hotspot的啟動流程與main方法呼叫

虛擬機器的使命就是執行public static void main(String[]) 方法，從虛擬機器建立到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列java.exe HelloWorld 呼叫main函式輸出經歷了什麼。原始碼使用openjdk12 ，作業系統為windows 64bits ，其它系統和原始碼版本大同小異。

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列解析，環境初始化等任務，hotspot部分則是真正的虛擬機器幹活的地方。

啟動器是用C++寫的，如果不修改連結器入口點名字，執行java.exe xxx 追根溯源必然會跟蹤到main 函式。這個main位於

openjdk12\src\java.base\share\native\launcher\main.c ，這裡就是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引數

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);
}

如果使用者執行的是javaw.exe 就進入WinMain 入口，否則java.exe 進入main 入口。

在main中會處理啟動器的引數比如這種-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PauseAtExit ，處理完之後呼叫JLI_Launcher 。多說一點，啟動器程式碼也分為系統相關和系統無關，像java.base/linux ,java.base/windows 這種就是平臺相關，java.base/share 就是平臺無關程式碼。

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 */
jintergo_class/* ergnomics policy */
);

JLI_Launcher做了很多重要的事情

-XX:SDKGJ

第三點非常重要，它是啟動器呼叫hotspot JNI的橋樑。說著這麼誇張，其實做起來是非常簡單的，就是LoadLibrary() 載入jvm.dll然後GetProcAddress() 執行時獲取JNI_CreateJavaVM地址轉化為函式指標，對應linux的dlopen,dlsym 。然後經過一些中轉，啟動器會走到JavaMain。

jaba.base -> JLI_Launcher -> JavaMain

JavaMain維護hotspot的一個生命週期，它溝通java啟動器與hotspot世界，完成java.exe的功能：

int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{
...

/* 初始化虛擬機器 */
start = CounterGet();
/* 這裡初始化虛擬機器呼叫的就是之前提到的在jvm.dll裡面獲取到的JNI_CreateJavaVM函式指標
* 可以說，這裡的JNI_CreateJavaVM是hotspot世界最先出現的地方
*/
if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
exit(1);
}

/* 對虛擬機器啟動進行效能profiling */
if (JLI_IsTraceLauncher()) {
end = CounterGet();
JLI_TraceLauncher("%ld micro seconds to InitializeJVM\n",
(long)(jint)Counter2Micros(end-start));
}

ret = 1;

/* 載入main函式所在的類 */
mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);
CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainClass);

/* 對GUI程式的支援 */
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方法呼叫 */
(*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這個函式做了我們通常意義上所認為啟動器應該做的事情，它：

初始化虛擬機器，
獲取main所在的類
呼叫main方法
處理返回值

到這裡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方法的呼叫。

jaba.base -> JLI_Launcher -> JavaMain -> CallStaticVoidMethod

首先，歡迎來到hotspot的世界。前面說到main方法的呼叫是這麼一行程式碼：

(*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);

那麼它是怎麼進入hotspot的世界的呢，要回答這個問題得看看env這是個什麼東西。

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;

然後(*env)->jni_f1(3,4) 呼叫的就是這個jni_f1函式指標，這些指標指向的是hotspot/share/primes/jni.cpp 裡面的入口點。

jaba.base -> JLI_Launcher -> JavaMain -> CallStaticVoidMethod -> JavaCalls::call

回到上面的程式碼，CallStaticVoidMethod函式指標指向的就是JNI裡面的函式：

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));

// 建立java呼叫的引數
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() );

// 初始化返回值型別
result->set_type(args->get_ret_type());

// main方法呼叫
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引數，其他工作交給jni_invoke_static。這個函式會把之前傳入的命令列引數轉換為虛擬機器裡面的oop物件，然後最終通過JavaCalls::call 呼叫了main函式。這不是個特例，java的所有方法呼叫都是通過JavaCalls::call 呼叫的，它會建立解釋執行所需的棧幀，然後識別hotspot的模板直譯器入口點，進入這個入口點執行位元組碼，當然這都是後話，如果有的話...