HotSpot学习(二):虚拟机的启动过程源码解析

1. 前言

上文介绍了HotSpot编译和调试的方法,而这篇文章将迈出正式调试的第一步——调试HotSpot的启动过程。
学习启动过程可以帮助我们了解程序的入口,并对虚拟机的运行有个整体的把握,方便日后深入学习具体的一些模块。

2. 整体感知启动过程

整体的感知启动过程可以在启动时添加_JAVA_LAUNCHER_DEBUG=1的环境变量。这样JVM会输出详细的打印。
通过这些打印,我们大致能了解到启动过程发生了什么。

----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
Launcher state:
	debug:on
	javargs:off
	program name:java
	launcher name:openjdk
	javaw:off
	fullversion:1.8.0-internal-debug-xieshang_2020_12_18_09_49-b00
	dotversion:1.8
	ergo_policy:DEFAULT_ERGONOMICS_POLICY
Command line args:
argv[0] = /home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/bin/java
argv[1] = com.insanexs/HelloHotspot
JRE path is /home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk
jvm.cfg[0] = ->-server<-
jvm.cfg[1] = ->-client<-
1 micro seconds to parse jvm.cfg
Default VM: server
Does `/home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/lib/amd64/server/libjvm.so' exist ... yes.
mustsetenv: FALSE
JVM path is /home/xieshang/learn-jvm/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/lib/amd64/server/libjvm.so
1 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
    version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 5
    option[ 0] = '-Dsun.java.launcher.diag=true'
    option[ 1] = '-Djava.class.path=/home/xieshang/learn-open-jdk'
    option[ 2] = '-Dsun.java.command=com.insanexs/HelloHotspot'
    option[ 3] = '-Dsun.java.launcher=SUN_STANDARD'
    option[ 4] = '-Dsun.java.launcher.pid=4485'
1 micro seconds to InitializeJVM
Main class is 'com.insanexs/HelloHotspot'
App's argc is 0
1 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----

从上面的打印大致可以看出有这么几步:

  1. 打印了启动器的状态,包括版本号、程序名等
  2. 打印了传给程序命令行参数,第一个是java命令的相信路径,第二个虚拟机将要执行的java代码
  3. 解析JRE路径,解析jvm.cfg
  4. 加载libjvm库
  5. 解析虚拟机参数
  6. 初始化虚拟机
  7. 虚拟机加载要执行的Java主类,解析参数并执行

3. 启动过程说明

我们就以上面划分的阶段为整体脉络,再深入的看看各阶段的具体逻辑。

3.1 启动入口

虚拟机程序运行的入口是在main.c/main方法中。之后会调用java.c/JLI_Launch方法。

int
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                               /* ergonomics class policy */
)
{   
    /************************** 前期初始化工作和状态打印 ********************/
    int mode = LM_UNKNOWN;
    char *what = NULL;
    char *cpath = 0;
    char *main_class = NULL;
    int ret;
    InvocationFunctions ifn; //和创建虚拟机相关的结构体 指向三个关键的函数
    jlong start, end;
    char jvmpath[MAXPATHLEN];
    char jrepath[MAXPATHLEN];
    char jvmcfg[MAXPATHLEN];

    _fVersion = fullversion;
    _dVersion = dotversion;
    _launcher_name = lname;
    _program_name = pname;
    _is_java_args = javaargs;
    _wc_enabled = cpwildcard;
    _ergo_policy = ergo;

    InitLauncher(javaw);
    DumpState(); //打印相关状态
    
    //打印参数
    if (JLI_IsTraceLauncher()) {
        int i;
        printf("Command line args:\n");
        for (i = 0; i < argc ; i++) {
            printf("argv[%d] = %s\n", i, argv[i]);
        }
        AddOption("-Dsun.java.launcher.diag=true", NULL);
    }
    
    /************************** 检验版本 ********************/
    /*
     * Make sure the specified version of the JRE is running.
     *
     * There are three things to note about the SelectVersion() routine:
     *  1) If the version running isn't correct, this routine doesn't
     *     return (either the correct version has been exec'd or an error
     *     was issued).
     *  2) Argc and Argv in this scope are *not* altered by this routine.
     *     It is the responsibility of subsequent code to ignore the
     *     arguments handled by this routine.
     *  3) As a side-effect, the variable "main_class" is guaranteed to
     *     be set (if it should ever be set).  This isn't exactly the
     *     poster child for structured programming, but it is a small
     *     price to pay for not processing a jar file operand twice.
     *     (Note: This side effect has been disabled.  See comment on
     *     bugid 5030265 below.)
     */
    SelectVersion(argc, argv, &main_class); //版本检测
    
    /************************** 创建执行环境 ********************/
    CreateExecutionEnvironment(&argc, &argv,
                               jrepath, sizeof(jrepath),
                               jvmpath, sizeof(jvmpath),
                               jvmcfg,  sizeof(jvmcfg));//解析相关环境 获取jre路径、jvmlib库和jvm.cfg
    
    /************************** 设置虚拟机环境 ********************/
    if (!IsJavaArgs()) {
        SetJvmEnvironment(argc,argv);
    }

    ifn.CreateJavaVM = 0;
    ifn.GetDefaultJavaVMInitArgs = 0;

    if (JLI_IsTraceLauncher()) {
        start = CounterGet();
    }
    
    /************************** 加载虚拟机 ********************/
    if (!LoadJavaVM(jvmpath, &ifn)) { //加载 主要是从jvmlib库中解析函数地址 赋值给ifn
        return(6);
    }

    if (JLI_IsTraceLauncher()) {
        end   = CounterGet();
    }

    JLI_TraceLauncher("%ld micro seconds to LoadJavaVM\n",
             (long)(jint)Counter2Micros(end-start));

    ++argv;
    --argc;

    if (IsJavaArgs()) {
        /* Preprocess wrapper arguments */
        TranslateApplicationArgs(jargc, jargv, &argc, &argv);
        if (!AddApplicationOptions(appclassc, appclassv)) {
            return(1);
        }
    } else {
        /* Set default CLASSPATH */
        cpath = getenv("CLASSPATH"); //添加CLASSPATH
        if (cpath == NULL) {
            cpath = ".";
        }
        SetClassPath(cpath);
    }
    
    /************************** 解析参数 ********************/
    /* Parse command line options; if the return value of
     * ParseArguments is false, the program should exit.
     */
    if (!ParseArguments(&argc, &argv, &mode, &what, &ret, jrepath))
    {
        return(ret);
    }

    /* Override class path if -jar flag was specified */
    if (mode == LM_JAR) { //如果是java -jar 则覆盖classpath
        SetClassPath(what);     /* Override class path */
    }

    /* set the -Dsun.java.command pseudo property */ //解析特殊属性
    SetJavaCommandLineProp(what, argc, argv);

    /* Set the -Dsun.java.launcher pseudo property */
    SetJavaLauncherProp();

    /* set the -Dsun.java.launcher.* platform properties */
    SetJavaLauncherPlatformProps();
    
    /************************** 初始化虚拟机 ********************/
    return JVMInit(&ifn, threadStackSize, argc, argv, mode, what, ret);
}

这个方法比较长,但是可以划分为几个部分去分析:

3.1.1 前期初始化工作和状态打印

这里的初始化部分包括一些参数值的声明,特殊结构体InvocationFuntions的声明,启动器的初始化。
其中声明的参数会在后续的启动过程用来存储相关信息,例如保存JVM、JRE相关路径等。
InvocationFuntions是个重要的结构体,其中包含了创建JVM会被调用的三个函数指针。

typedef struct {
    CreateJavaVM_t CreateJavaVM; //指向负责创建JavaVM和JNIEnv结构的函数指针
    GetDefaultJavaVMInitArgs_t GetDefaultJavaVMInitArgs; //指向获取默认JVM初始参数的函数指针
    GetCreatedJavaVMs_t GetCreatedJavaVMs; //指向获取JVM的函数指针
} InvocationFunctions;

InitLaucher方法主要就是根据_JAVA_LAUNCHER_DEBUG这个环境变量会决定后续是否输出DEBUG的打印。
在开启了launcher_debug后,DumpState()方法会打印出启动状态,并且之后打印出命令行参数。

3.1.2 检验版本

SelectVersion会验证用户指定的java版本和实际执行的java版本是否兼容,如果不兼容会退出进程。用户可以通过_JAVA_VERSION_SET的环境变量或是jar包中manifest文件等方式指定运行的java版本。

3.1.3 创建执行环境

CreateExecutionEnvironment会为后续的启动创建执行环境,这一步骤中主要是确定jdk所在的路径,解析jvmcfg和确认libjvm是否存在等。

  1. 主要是根据处理器类型和主路径确定出JRE的路径
  2. 以同样的方式确定jvm.cfg的文件位置,并解析jvm.cfg(jvm.cfg里面是一些虚拟机的默认配置,如常见的指定以客户端或服务端模式运行)
  3. 检查虚拟机类型(-server/-client),可以是jvm.cfg指定或是由启动参数指定
  4. 确定libjvm库的位置,校验库是否存在,这个库核心的函数库
3.1.4 设置虚拟机环境

SetJvmEnviroment主要解析NativeMemoryTracking参数,可以用来追踪本地内存的使用情况

3.1.5 加载虚拟机

前期环境准备好之后,LoadJavaVM()会从之前确定的路径,加载libjvm库,并将其中的库中JNI_CreateJavaVM,JNI_GetDefaultJavaVMInitArgsJNI_GetCreatedJavaVMs三个函数赋值给ifn。
这三个函数会在之后创建虚拟机时被使用。

3.1.6 解析参数

这里有两个部分,一是解析命令行传入的参数,看是否有特定的JVM配置选项。这些参数会被用于后续虚拟机的创建上。这一过程主要发生在ParseArguments()中。另一个部分就是添加一些特定的虚拟机参数,发生在SetJavaCommandLinePropSetJavaLaucherPropSetJavaLaucherPlatformProps中。

3.1.7 虚拟机初始化

在环境都准备好之后,会由JVMInit()执行虚拟机初始化工作,首先会通过ShowSplashScreen()方法加载启动动画,之后会进入CountinueInNewThread()方法,由新的线程负责创建虚拟机的工作。

3.2 在新线程中继续虚拟机的创建

通过上文的介绍,我们找到了java.c/ConutinueInNewThread()的方法。这个方法分为两个部分,第一部分就是确定线程栈的深度,第二部分就是由ContinueInNewThread0()这个方法实现真正的虚拟机创建过程。

int
ContinueInNewThread0(int (JNICALL *continuation)(void *), jlong stack_size, void * args) {
    int rslt;
#ifndef __solaris__
    pthread_t tid;
    //声明线程属性
    pthread_attr_t attr;
    //初始化线程属性并设置相关属性值
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);

    //设置线程栈深度
    if (stack_size > 0) {
      pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
    }

    //创建线程并执行方法
    if (pthread_create(&tid, &attr, (void *(*)(void*))continuation, (void*)args) == 0) { //创建线程 并将运行函数的起始地址和运行参数传入
      void * tmp;
      pthread_join(tid, &tmp);//阻塞当前线程 等待新线程运行结束返回
      rslt = (int)tmp;
    } else {
     /*
      * Continue execution in current thread if for some reason (e.g. out of
      * memory/LWP)  a new thread can't be created. This will likely fail
      * later in continuation as JNI_CreateJavaVM needs to create quite a
      * few new threads, anyway, just give it a try..
      */
      rslt = continuation(args);
    }

    pthread_attr_destroy(&attr);
#else /* __solaris__ */
    thread_t tid;
    long flags = 0;
    if (thr_create(NULL, stack_size, (void *(*)(void *))continuation, args, flags, &tid) == 0) {
      void * tmp;
      thr_join(tid, NULL, &tmp);
      rslt = (int)tmp;
    } else {
      /* See above. Continue in current thread if thr_create() failed */
      rslt = continuation(args);
    }
#endif /* !__solaris__ */
    return rslt;
}

在这个方法中,首先调用了pthread_create()函数创建了一个新线程,同时旧线程被jion等待新线程运行完成后返回。
pthread_create()是unix操作系统创建线程的函数,它的第一个参数表示线程标识,第二参数表示线程属性,第三个参数表示创建线程所要执行函数的地址,第四个参数则是将要执行的函数的参数。
等到新线程运行完成后,旧的线程也会返回。此时说明运行结束,进程将会退出。

需要注意的是此时传入的函数地址,它是指向java.c/JavaMain()函数。也就是说新创建的线程将会开始执行该函数。

3.3 虚拟机创建、Java程序运行的主过程——JavaMain

新创建的线程会去执行JavaMain()函数,正式进入了创建虚拟机、运行Java代码的过程。

int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{   
    /*********************获取相关参数****************************/
    JavaMainArgs *args = (JavaMainArgs *)_args;
    int argc = args->argc;
    char **argv = args->argv;
    int mode = args->mode;
    char *what = args->what;
    InvocationFunctions ifn = args->ifn;

    JavaVM *vm = 0;
    JNIEnv *env = 0;
    jclass mainClass = NULL;
    jclass appClass = NULL; // actual application class being launched
    jmethodID mainID;
    jobjectArray mainArgs;
    int ret = 0;
    jlong start, end;

    RegisterThread();

    /*******************初始化JVM、打印相关信息********************************/
    start = CounterGet();
    if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {
        JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
        exit(1);
    }

    if (showSettings != NULL) {
        ShowSettings(env, showSettings);
        CHECK_EXCEPTION_LEAVE(1);
    }

    if (printVersion || showVersion) {
        PrintJavaVersion(env, showVersion);
        CHECK_EXCEPTION_LEAVE(0);
        if (printVersion) {
            LEAVE();
        }
    }

    /* If the user specified neither a class name nor a JAR file */
    if (printXUsage || printUsage || what == 0 || mode == LM_UNKNOWN) {
        PrintUsage(env, printXUsage);
        CHECK_EXCEPTION_LEAVE(1);
        LEAVE();
    }

    FreeKnownVMs();  /* after last possible PrintUsage() */

    if (JLI_IsTraceLauncher()) {
        end = CounterGet();
        JLI_TraceLauncher("%ld micro seconds to InitializeJVM\n",
               (long)(jint)Counter2Micros(end-start));
    }

    /* At this stage, argc/argv have the application's arguments */
    //打印Java程序的参数
    if (JLI_IsTraceLauncher()){
        int i;
        printf("%s is '%s'\n", launchModeNames[mode], what);
        printf("App's argc is %d\n", argc);
        for (i=0; i < argc; i++) {
            printf("    argv[%2d] = '%s'\n", i, argv[i]);
        }
    }
    
    /******************获取Java程序的主类***************************/
    ret = 1;

    /*
     * Get the application's main class.
     *
     * See bugid 5030265.  The Main-Class name has already been parsed
     * from the manifest, but not parsed properly for UTF-8 support.
     * Hence the code here ignores the value previously extracted and
     * uses the pre-existing code to reextract the value.  This is
     * possibly an end of release cycle expedient.  However, it has
     * also been discovered that passing some character sets through
     * the environment has "strange" behavior on some variants of
     * Windows.  Hence, maybe the manifest parsing code local to the
     * launcher should never be enhanced.
     *
     * Hence, future work should either:
     *     1)   Correct the local parsing code and verify that the
     *          Main-Class attribute gets properly passed through
     *          all environments,
     *     2)   Remove the vestages of maintaining main_class through
     *          the environment (and remove these comments).
     *
     * This method also correctly handles launching existing JavaFX
     * applications that may or may not have a Main-Class manifest entry.
     */
    mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);//加载mainClass
    CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainClass);
    /*
     * In some cases when launching an application that needs a helper, e.g., a
     * JavaFX application with no main method, the mainClass will not be the
     * applications own main class but rather a helper class. To keep things
     * consistent in the UI we need to track and report the application main class.
     */
    appClass = GetApplicationClass(env); //获取application class
    NULL_CHECK_RETURN_VALUE(appClass, -1);
    /*
     * PostJVMInit uses the class name as the application name for GUI purposes,
     * for example, on OSX this sets the application name in the menu bar for
     * both SWT and JavaFX. So we'll pass the actual application class here
     * instead of mainClass as that may be a launcher or helper class instead
     * of the application class.
     */
    PostJVMInit(env, appClass, vm); // JVM 初始化后置处理
    /*
     * The LoadMainClass not only loads the main class, it will also ensure
     * that the main method's signature is correct, therefore further checking
     * is not required. The main method is invoked here so that extraneous java
     * stacks are not in the application stack trace.
     */
     
    /******************找主类的main方法************************/
    mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
                                       "([Ljava/lang/String;)V"); //获取main class的 main(String[] args)方法
    CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainID);
    
    /*******************封装参数,调用main方法*****************/
    /* Build platform specific argument array */
    mainArgs = CreateApplicationArgs(env, argv, argc); //封装 main(String[] args) 方法的参数args
    CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainArgs);

    /* Invoke main method. */
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs); //调用main(String args)方法

    /*
     * The launcher's exit code (in the absence of calls to
     * System.exit) will be non-zero if main threw an exception.
     */
    /*******************获取执行结果 并退出虚拟机**************/
    ret = (*env)->ExceptionOccurred(env) == NULL ? 0 : 1; //根据是否有异常 确定退出码
    LEAVE(); //线程解绑 销毁JVM
}
3.3.1 参数解析

之前上文解析得到的命令行参数等都被封装在JavaMainArgs结构体中,传给了JavaMain方法。因此需要从这个结构体中取回参数。
另外,还创建了一些变量用于之后的过程中存储值,譬如jclass,jmethodID等。

3.3.2 初始化虚拟机,打印相关信息

上述代码中的InitializeJVM()方法会负责虚拟机的初始化过程。其代码如下:

static jboolean
InitializeJVM(JavaVM **pvm, JNIEnv **penv, InvocationFunctions *ifn)
{
    JavaVMInitArgs args;
    jint r;

    memset(&args, 0, sizeof(args));
    args.version  = JNI_VERSION_1_2;
    args.nOptions = numOptions;
    args.options  = options;
    args.ignoreUnrecognized = JNI_FALSE;

    if (JLI_IsTraceLauncher()) {
        int i = 0;
        printf("JavaVM args:\n    ");
        printf("version 0x%08lx, ", (long)args.version);
        printf("ignoreUnrecognized is %s, ",
               args.ignoreUnrecognized ? "JNI_TRUE" : "JNI_FALSE");
        printf("nOptions is %ld\n", (long)args.nOptions);
        for (i = 0; i < numOptions; i++)
            printf("    option[%2d] = '%s'\n",
                   i, args.options[i].optionString);
    }

    r = ifn->CreateJavaVM(pvm, (void **)penv, &args); //通过ifn的函数指针 调用CreateJavaVM函数初始化JavaVM 和 JNIEnv
    JLI_MemFree(options);
    return r == JNI_OK;
}

先获取虚拟机参数,在通过ifn结构体中CreateJavaVM指针,调用正式创建Java虚拟机的函数JNI_CreateJavaVM
JNI_CreateJavaVM代码的主要流程如下:

  1. 先由Threads::create_vm()方法创建虚拟机
  2. 给两个重要的指针赋值,分别是JavaVM * 和 JNIEnv
  3. 一些后置处理,例如通过JVMTI(可以说是虚拟机的工具接口,提供了对虚拟机调试、监测等等的功能)、事件提交等

针对第一点,Threads::create_vm()是负责创建虚拟机,整个过程相对复杂,需要初始化很多模块,创建虚拟机的后台线程,加载必要的类等等,这里不做深入分析。之后有时间可以单独分析这一过程。
针对第二点中提到的两个数据结构,非常重要。我们可以看看它们的具体的内容。

JavaVM

JavaVM结构内部包的是JNIInvokeInterface_结构,因此我们直接看一下JNIInvokeInterface_的结构

struct JNIInvokeInterface_ {
    //预留字段
    void *reserved0;
    void *reserved1;
    void *reserved2;

    jint (JNICALL *DestroyJavaVM)(JavaVM *vm); //销毁虚拟机的函数指针

    jint (JNICALL *AttachCurrentThread)(JavaVM *vm, void **penv, void *args); //绑定线程的函数指针

    jint (JNICALL *DetachCurrentThread)(JavaVM *vm); //解绑线程的函数指针

    jint (JNICALL *GetEnv)(JavaVM *vm, void **penv, jint version); //获取JNIEnv结构的函数指针

    jint (JNICALL *AttachCurrentThreadAsDaemon)(JavaVM *vm, void **penv, void *args);//将线程转为后台线程
};

可以看到主要是一些和虚拟机操作的相关函数。

JNIEnv

JNIEnv结构内部包的是JNINativeInterface结构,这个结构同样定义了很多函数指针,代码太长,这里就不直接贴出了。有兴趣的可以在jni.h中自行查看。如果对结构中的方法分类的话,可以分成以下几类:

  • 获取虚拟机信息
  • 获取相关类和方法,方法执行
  • 获取/设置对象字段
  • 静态方法、静态变量的获取与设置
  • 常见类型的对象的创建和释放
  • 创建直接内存、访问锁等

总之,提供了通过C++代码访问Java程序的能力(这对于从事JNI开发的人来说十分重要)。

3.3.3 确定Java程序的主类

了解完成虚拟机的初始化过程后,再回到JavaMain()方法中,之后是通过LoadMainClass()GetApplicationClass()方法确定Java代码的主类。
如果我们在运行指定了Java类,那么这个类就是主类。这里还会调用LauncherHelper.checkAndLoadMain()检验主类是否合法。LauncherHelper的Java代码,这里就是上面介绍的JNIEnv的能力在C++的代码中执行Java代码。
对于一些没有主类的程序,需要通过LaucherHelper.getApplicationClass()确定程序类。

3.3.4 从主类中获取main方法的methodID,并调用方法

再确定了mainClass之后,还需要找到该类定义的main(),获取main()方法,然后将程序参数封装,传递给main()执行,线程会以此为入口,开始执行Java程序。
这里的找方法和执行方法同样是依赖了JNIEnv中GetStaticMethodIDCallStaticVoidMethod
所以我们的main()方法总是static void的。

3.3.5 获取执行结果,退出虚拟机

当线程从Main()方法中返回,说明Java程序已经执行完成(或是异常退出),这时候虚拟机会检查运行结果,并解绑线程销毁虚拟机,最终退出。

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