Springboot 应用启动分析

https://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/50120001#comments

一，spring boot quick start

在spring boot里，很吸引人的一个特性是可以直接把应用打包成为一个jar/war，然后这个jar/war是可以直接启动的，不需要另外配置一个Web Server。

如果之前没有使用过spring boot可以通过下面的demo来感受下。 
下面以这个工程为例，演示如何启动Spring boot项目：

git clone git@github.com:hengyunabc/spring-boot-demo.git
mvn spring-boot-demo
java -jar target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar

如果使用的IDE是spring sts或者idea，可以通过向导来创建spring boot项目。

也可以参考官方教程： 
http://docs.spring.io/spring-boot/docs/current-SNAPSHOT/reference/htmlsingle/#getting-started-first-application

二，对spring boot的两个疑问

刚开始接触spring boot时，通常会有这些疑问

  • spring boot如何启动的？
  • spring boot embed tomcat是如何工作的？ 静态文件，jsp，网页模板这些是如何加载到的？

下面来分析spring boot是如何做到的。

打包为单个jar时，spring boot的启动方式

maven打包之后，会生成两个jar文件：

demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar
demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original

其中demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original是默认的maven-jar-plugin生成的包。

demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar是spring boot maven插件生成的jar包，里面包含了应用的依赖，以及spring boot相关的类。下面称之为fat jar。

2.1  先来查看spring boot打好的包的目录结构（不重要的省略掉）：

 1 ├── META-INF
 2 │   ├── MANIFEST.MF
 3 ├── application.properties
 4 ├── com
 5 │   └── example
 6 │       └── SpringBootDemoApplication.class
 7 ├── lib
 8 │   ├── aopalliance-1.0.jar
 9 │   ├── spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar
10 │   ├── ...
11 └── org
12     └── springframework
13         └── boot
14             └── loader
15                 ├── ExecutableArchiveLauncher.class
16                 ├── JarLauncher.class
17                 ├── JavaAgentDetector.class
18                 ├── LaunchedURLClassLoader.class
19                 ├── Launcher.class
20                 ├── MainMethodRunner.class
21                 ├── ...

2.1.1 MANIFEST.MF

1 Manifest-Version: 1.0
2 Start-Class: com.example.SpringBootDemoApplication
3 Implementation-Vendor-Id: com.example
4 Spring-Boot-Version: 1.3.0.RELEASE
5 Created-By: Apache Maven 3.3.3
6 Build-Jdk: 1.8.0_60
7 Implementation-Vendor: Pivotal Software, Inc.
8 Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher

可以看到有Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher ，这个是jar启动的Main函数。

还有一个Start-Class是com.example.SpringBootDemoApplication，这个是我们应用自己的Main函数。

@SpringBootApplication
public class SpringBootDemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringBootDemoApplication.class, args);
    }
}

2.1.2 com/example 目录

这下面放的是应用的.class文件。

2.1.3 lib目录

这里存放的是应用的Maven依赖的jar包文件。 
比如spring-beans，spring-mvc等jar。

2.1.4 org/springframework/boot/loader 目录

这下面存放的是Spring boot loader的.class文件。

2.2 Archive的概念

  • archive即归档文件，这个概念在linux下比较常见
  • 通常就是一个tar/zip格式的压缩包
  • jar是zip格式

在spring boot里，抽象出了Archive的概念。一个archive可以是一个jar（JarFileArchive），也可以是一个文件目录（ExplodedArchive）。可以理解为Spring boot抽象出来的统一访问资源的层。

上面的demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar 是一个Archive，然后demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar里的/lib目录下面的每一个Jar包，也是一个Archive。

public abstract class Archive {
    public abstract URL getUrl();
    public String getMainClass();
    public abstract Collection<Entry> getEntries();
    public abstract List<Archive> getNestedArchives(EntryFilter filter);

可以看到Archive有一个自己的URL，比如：

jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/

还有一个getNestedArchives函数，这个实际返回的是demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar/lib下面的jar的Archive列表。它们的URL是：

jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/lib/aopalliance-1.0.jar
jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar

2.3 JarLauncher

从MANIFEST.MF可以看到Main函数是JarLauncher，下面来分析它的工作流程。

JarLauncher类的继承结构是：

class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher
class ExecutableArchiveLauncher extends Launcher

2.3.1 以demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar创建一个Archive：

JarLauncher先找到自己所在的jar，即demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar的路径，然后创建了一个Archive。

下面的代码展示了如何从一个类找到它的加载的位置的技巧：

 protected final Archive createArchive() throws Exception {
        ProtectionDomain protectionDomain = getClass().getProtectionDomain();
        CodeSource codeSource = protectionDomain.getCodeSource();
        URI location = (codeSource == null ? null : codeSource.getLocation().toURI());
        String path = (location == null ? null : location.getSchemeSpecificPart());
        if (path == null) {
            throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive");
        }
        File root = new File(path);
        if (!root.exists()) {
            throw new IllegalStateException(
                    "Unable to determine code source archive from " + root);
        }
        return (root.isDirectory() ? new ExplodedArchive(root)
                : new JarFileArchive(root));
    }

2.3.2 获取lib/下面的jar，并创建一个LaunchedURLClassLoader

JarLauncher创建好Archive之后，通过getNestedArchives函数来获取到demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar/lib下面的所有jar文件，并创建为List。

注意上面提到，Archive都是有自己的URL的。

获取到这些Archive的URL之后，也就获得了一个URL[]数组，用这个来构造一个自定义的ClassLoader：LaunchedURLClassLoader。

创建好ClassLoader之后，再从MANIFEST.MF里读取到Start-Class，即com.example.SpringBootDemoApplication，然后创建一个新的线程来启动应用的Main函数。

 1 /**
 2      * Launch the application given the archive file and a fully configured classloader.
 3      */
 4     protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader)
 5             throws Exception {
 6         Runnable runner = createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader);
 7         Thread runnerThread = new Thread(runner);
 8         runnerThread.setContextClassLoader(classLoader);
 9         runnerThread.setName(Thread.currentThread().getName());
10         runnerThread.start();
11     }
12 
13     /**
14      * Create the {@code MainMethodRunner} used to launch the application.
15      */
16     protected Runnable createMainMethodRunner(String mainClass, String[] args,
17             ClassLoader classLoader) throws Exception {
18         Class<?> runnerClass = classLoader.loadClass(RUNNER_CLASS);
19         Constructor<?> constructor = runnerClass.getConstructor(String.class,
20                 String[].class);
21         return (Runnable) constructor.newInstance(mainClass, args);
22     }

2.3.3  LaunchedURLClassLoader

LaunchedURLClassLoader和普通的URLClassLoader的不同之处是，它提供了从Archive里加载.class的能力。

结合Archive提供的getEntries函数，就可以获取到Archive里的Resource。当然里面的细节还是很多的，下面再描述。

2.4 spring boot应用启动流程总结

看到这里，可以总结下Spring Boot应用的启动流程：

  1. spring boot应用打包之后，生成一个fat jar，里面包含了应用依赖的jar包，还有Spring boot loader相关的类
  2. Fat jar的启动Main函数是JarLauncher，它负责创建一个LaunchedURLClassLoader来加载/lib下面的jar，并以一个新线程启动应用的Main函数。

2.5  JarFile URL的扩展

Spring boot能做到以一个fat jar来启动，最重要的一点是它实现了jar in jar的加载方式。

JDK原始的JarFile URL的定义可以参考这里：

jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/

jar包里的资源的URL：

jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/com/example/SpringBootDemoApplication.class

可以看到对于Jar里的资源，定义以’!/’来分隔。原始的JarFile URL只支持一个’!/’。

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的资源了。

比如下面的URL表示demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar这个jar里lib目录下面的spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar里面的MANIFEST.MF：

jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar!/META-INF/MANIFEST.MF

2.6  自定义URLStreamHandler，扩展JarFile和JarURLConnection

在构造一个URL时，可以传递一个Handler，而JDK自带有默认的Handler类，应用可以自己注册Handler来处理自定义的URL。

Spring boot通过注册了一个自定义的Handler类来处理多重jar in jar的逻辑。

这个Handler内部会用SoftReference来缓存所有打开过的JarFile。

在处理像下面这样的URL时，会循环处理’!/’分隔符，从最上层出发，先构造出demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar这个JarFile，再构造出spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar这个JarFile，然后再构造出指向MANIFEST.MF的JarURLConnection。

2.7 ClassLoader如何读取到Resource

对于一个ClassLoader，它需要哪些能力？

  • 查找资源
  • 读取资源

对应的API是：

public URL findResource(String name)
public InputStream getResourceAsStream(String name)

上面提到，Spring boot构造LaunchedURLClassLoader时，传递了一个URL[]数组。数组里是lib目录下面的jar的URL。

对于一个URL，JDK或者ClassLoader如何知道怎么读取到里面的内容的？

实际上流程是这样子的：

  • LaunchedURLClassLoader.loadClass
  • URL.getContent()
  • URL.openConnection()
  • Handler.openConnection(URL)

最终调用的是JarURLConnection的getInputStream()函数。

从一个URL，到最终读取到URL里的内容，整个过程是比较复杂的，总结下：

  • spring boot注册了一个Handler来处理”jar:”这种协议的URL
  • spring boot扩展了JarFile和JarURLConnection，内部处理jar in jar的情况
  • 在处理多重jar in jar的URL时，spring boot会循环处理，并缓存已经加载到的JarFile
  • 对于多重jar in jar，实际上是解压到了临时目录来处理，可以参考JarFileArchive里的代码
  • 在获取URL的InputStream时，最终获取到的是JarFile里的JarEntryData

在IDE/开放目录启动Spring boot应用

在上面只提到在一个fat jar里启动Spring boot应用的过程，下面分析IDE里Spring boot是如何启动的。

在IDE里，直接运行的Main函数是应用自己的Main函数：

@SpringBootApplication
public class SpringBootDemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringBootDemoApplication.class, args);
    }
}

其实在IDE里启动Spring boot应用是最简单的一种情况，因为依赖的Jar都让IDE放到classpath里了，所以Spring boot直接启动就完事了。

还有一种情况是在一个开放目录下启动Spring boot启动。所谓的开放目录就是把fat jar解压，然后直接启动应用。

java org.springframework.boot.loader.JarLauncher

这时，Spring boot会判断当前是否在一个目录里，如果是的，则构造一个ExplodedArchive（前面在jar里时是JarFileArchive），后面的启动流程类似fat jar的。

 

spirng boot的一些缺点：

当spring boot应用以一个fat jar方式运行时，会遇到一些问题。以下是个人看法：

  • 日志不知道放哪，默认是输出到stdout的
  • 数据目录不知道放哪, jenkinns的做法是放到 ${user.home}/.jenkins 下面
  • 相对目录API不能使用，servletContext.getRealPath(“/”) 返回的是NULL
  • spring boot应用喜欢把配置都写到代码里，有时会带来混乱。一些简单可以用xml来表达的配置可能会变得难读，而且凌乱。

总结

spring boot通过扩展了jar协议，抽象出Archive概念，和配套的JarFile，JarUrlConnection，LaunchedURLClassLoader，从而实现了上层应用无感知的all in one的开发体验。尽管Executable war并不是spring提出的概念，但spring boot让它发扬光大。

spring boot是一个惊人的项目，可以说是spring的第二春，spring-cloud-config, spring-session, metrics, remote shell等都是深爱开发者喜爱的项目、特性。几乎可以肯定设计者是有丰富的一线开发经验，深知开发人员的痛点。

转载;https://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/50120001#comments

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