java原始碼分析—-jvm.dll裝載過程

簡述
眾所周知java.exe是java class檔案的執行程式，但實際上java.exe程式只是
一個執行的外殼，它會裝載jvm.dll（windows下，以下皆以windows平台為例，
linux下和solaris下其實類似，為：libjvm.so），這個動態串連庫才是java
虛擬機器的實際操作處理所在。本文探究java.exe程式是如何尋找和裝載jvm.dll
動態庫，並調用它進行class檔案執行處理的。

原始碼
本文分析之代碼，《JavaTM 2 SDK, Standard Edition, v1.4.2 fcs
Community Source Release》，可從sun官方網站下載，主要分析的原始碼為：
j2se/src/share/bin/java.c
j2se/src/windows/bin/java_md.c

java.c是什麼東西
‘java程式’原始碼
所謂‘java程式’，包括jdk中的java.exe/javac.exe/javadoc.exe，java.c源
代碼中通過JAVA_ARGS宏來控制產生的程式碼，如果該宏沒定義則編譯檔案控制生
成java.exe否則編譯檔案控制產生其他的‘java程式’。
比如：
j2se/make/java/javac/Makefile（這是javac編譯檔案）中：
$(CD) ../../sun/javac ; $(MAKE) $@ RELEASE=$(RELEASE) FULL_VERSION=$(FULL_VERSION)
j2se/make/sun/javac/javac/Makefile（由上面Makefile檔案調用）中：
JAVA_ARGS = "{ /"-J-ms8m/", /"com.sun.tools.javac.Main/" }"
則由同一份java.c代碼產生的javac.exe程式就會直接調用java類方法：
com.sun.tools.javac.Main，這樣使其執行起來就像是直接啟動並執行一個exe檔案，
而未定義JAVA_ARGS的java.exe程式則會調用傳遞過來參數中的類方法。

從java.c的main入口函數說起
main()函數中前面一段為重新分配參數指標的處理。
然後調用函數：CreateExecutionEnvironment，該函數主要尋找java運行環境的
目錄，和jvm.dll這個虛擬機器核心動態串連庫檔案路徑所在。根據作業系統不同，
該函數有不同實現版本，但大體處理邏輯相同，我們看看windows平台該函數的處
理（j2se/src/windows/bin/java_md.c）。

CreateExecutionEnvironment函數主要分為三步處理：
a、尋找jre路徑。
b、裝載jvm.cfg中指定的虛擬機器動態串連庫（jvm.dll）參數。
c、取jvm.dll檔案路徑。

實現：
a、尋找jre路徑是通過java_md.c中函數：GetJREPath實現的。
該函數首先調用GetApplicationHome函數，GetApplicationHome函數調用windows
API函數GetModuleFileName取java.exe程式的絕對路徑，以我的jdk安裝路徑為例，
為：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/bin/java.exe”，然後去掉檔案名稱取絕對路徑為：
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/bin”，之後會在去掉最後一級目錄，現在絕對路徑為：
“D:/java/j2sdk1.4.2_04”。
然後GetJREPath函數繼續判斷剛剛取的路徑+/bin/java.dll組合成的這個java.dll
檔案是否存在，如果存在則“D:/java/j2sdk1.4.2_04”為JRE路徑，否則判斷取得
的“D:/java/j2sdk1.4.2_04”路徑+/jre/bin/java.dll檔案是否存在，存在則
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”為JRE路徑。如果上面兩種情況都不存在，則從注
冊表中去尋找（參見函數GetPublicJREHome）。

函數：GetPublicJREHome先尋找
HKEY_LOCAL_MACHINE/Software/JavaSoft/Java Runtime Environment/CurrentVersion
索引值“當前JRE版本號碼”，判斷“當前JRE版本號碼”是否為1.4做為版本號碼，如果是則
取HKEY_LOCAL_MACHINE/Software/JavaSoft/Java Runtime Environment/“當前JRE版本號碼”
/JavaHome的路徑所在為JRE路徑。

我的JDK返回的JRE路徑為：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”。

b、裝載jvm.cfg虛擬機器動態串連庫設定檔是通過java.c中函數:ReadKnownVMs實現
的。
該函數首先組合jvm.cfg檔案的絕對路徑，JRE路徑+/lib+/ARCH（CPU構架）+/jvm.cfg
ARCH（CPU構架）的判斷是通過java_md.c中GetArch函數判斷的，該函數中windows平
台只有兩種情況：WIN64的‘ia64’，其他情況都為‘i386’。我的為i386所以jvm.cfg
檔案絕對路徑為：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/lib/i386/jvm.cfg”。檔案內容如
下：

#
# @(#)jvm.cfg   1.7 03/01/23
# 
# Copyright 2003 Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.
# SUN PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
# 
# 
#
#
# List of JVMs that can be used as an option to java, javac, etc.
# Order is important -- first in this list is the default JVM.
# NOTE that this both this file and its format are UNSUPPORTED and
# WILL GO AWAY in a future release.
#
# You may also select a JVM in an arbitrary location with the
# "-XXaltjvm=<jvm_dir>" option, but that too is unsupported
# and may not be available in a future release.
#
-client KNOWN
-server KNOWN
-hotspot ALIASED_TO -client
-classic WARN
-native ERROR
-green ERROR

（如果細心的話，我們會發現在JDK目錄中我的為：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”和“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server”兩個目錄下都存在jvm.dll檔案。而java正是通過jvm.cfg設定檔來管理這些不同版本的jvm.dll的。）

ReadKnownVMs函數會將該檔案中的配置內容讀入到一個JVM配置結構的全域變數中，該函數首先跳過注釋（以‘#’開始的行），然後讀取以‘-’開始的行指定的jvm參數，每一行為一個jvm資訊，第一部分為jvm虛擬機器名稱，第二部分為配置參數，比如行：
“-client KNOWN”則“-client”為虛擬機器名稱，而“KNOWN”為配置型別參數，“KNOWN”
表示該虛擬機器的jvm.dll存在，而“ALIASED_TO”表示為另一個jvm.dll的別名，“WARN”
表示該虛擬機器的jvm.dll不存在但運行時會用其他存在的jvm.dll替代執行，而“ERROR”
同樣表示該類虛擬機器的jvm.dll不存在且運行時不會找存在的jvm.dll替代而直接拋出錯誤
資訊。

在運行java程式時指定使用那個虛擬機器的判斷是由java.c中函數：CheckJvmType判斷，該函數會檢查java運行參數中是否有指定jvm的參數，然後從ReadKnownVMs函數讀取的jvm.cfg資料結構中去尋找，從而指定不同的jvm類型（最終導致裝載不同jvm.dll）。有兩種方法可以指定jvm類型，一種按照jvm.cfg檔案中的jvm名稱指定，第二種方法是直接指定，它們執行的方法分別是“java -J<jvm.cfg中jvm名稱>”、“java -XXaltjvm=<jvm類型名稱>”或“java -J-XXaltjvm=<jvm類型名稱>”。如果是第一種參數傳遞方式，CheckJvmType函數會取參數‘-J’後面的jvm名稱，然後從已知的jvm配置參數中尋找如果找到同名的則去掉該jvm名稱前的‘-’直接返回該值；而第二種方法，會直接返回“-XXaltjvm=”或“-J-XXaltjvm=”後面的jvm類型名稱；如果在運行java時未指定上面兩種方法中的任一一種參數，CheckJvmType會取設定檔中第一個配置中的jvm名稱，去掉名稱前面的‘-’返回該值。CheckJvmType函數的這個傳回值會在下面的函數中匯同jre路徑組合成jvm.dll的絕對路徑。

比如：如果在運行java程式時使用“java -J-client test”則ReadKnownVMs會讀取參數“-client”然後尋找jvm.cfg讀入的參數中是否有jvm名稱為“-client”的，如果有則去掉jvm名稱前的“-”直接返回“client”；而如果在運行java程式時使用如下參數：
“java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client test”，則ReadKnownVMs
會直接返回“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”；如果不帶上面參數執行如：
“java test”，因為在jvm.cfg設定檔中第一個存在的jvm為“-client”，所以函數
ReadKnownVMs也會去掉jvm名稱前的“-”返回“client”。其實這三中情況都是使用的
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll”這個jvm動態串連庫處理test這個class的，見下面GetJVMPath函數。

c、取jvm.dll檔案路徑是通過java_md.c中函數：GetJVMPath實現的。
由上面兩步我們已經獲得了JRE路徑和jvm的類型字串。GetJVMPath函數判斷CheckJvmType
返回的jvm類型字串中是否包含了‘/’或‘/’如果包含則以該jvm類型字串+/jvm.dll作為JVM的全路徑，否則以JRE路徑+/bin+/jvm類型字串+/jvm.dll作為JVM的全路徑。

看看上面的例子，第一種情況“java -J-client test”jvm.dll路徑為：
JRE路徑+/bin+/jvm類型字串+/jvm.dll 按照我的JDK路徑則為：
“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”+“/bin”+“/client”+“/jvm.dll”。
第二種情況“java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client test”路徑為：
jvm類型字串+/jvm.dll即為：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client”+“/jvm.dll”
第三種情況“java test”為：“D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre”+“/bin”+“/client”
+“/jvm.dll”與情況一相同。所以這三種情況都是調用的jvm動態串連庫“D:/java/
j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll”處理test類的。

我們來進一步驗證一下：
開啟cmd控制台：

設定java裝載調試
E:/work/java_research>set _JAVA_LAUNCHER_DEBUG=1
情況一
E:/work/java_research>java -J-client test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
299 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll
2897 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
50001 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
10208 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
情況二
E:/work/java_research>java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
386 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll
2795 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
49978 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
9598 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
情況三
E:/work/java_research>java test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
381 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll
3038 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
50080 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
10215 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
三個的JVM路徑都為：
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/client/jvm.dll

其他情況
E:/work/java_research>java -J-server test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
377 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server/jvm.dll
2985 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
62382 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
12413 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]
E:/work/java_research>java -XXaltjvm=D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre
jvm.cfg[0] = ->-client<-
jvm.cfg[1] = ->-server<-
jvm.cfg[2] = ->-hotspot<-
jvm.cfg[3] = ->-classic<-
jvm.cfg[4] = ->-native<-
jvm.cfg[5] = ->-green<-
376 micro seconds to parse jvm.cfg
JVM path is D:/java/j2sdk1.4.2_04/jre/bin/server/jvm.dll
2937 micro seconds to LoadJavaVM
JavaVM args:
version 0x00010002, ignoreUnrecognized is JNI_FALSE, nOptions is 2
option[ 0] = '-Djava.class.path=.'
option[ 1] = '-Dsun.java.command=test.ScanDirectory'
62725 micro seconds to InitializeJVM
Main-Class is 'test.ScanDirectory'
Apps' argc is 0
8942 micro seconds to load main class
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
usage: java test.ScanDirectory DIR [output file]

由上面可以看出，如果我們安裝了多個jdk或jre版本的話，使用“java -XXaltjvm=”
可以通過絕對路徑指定到其他版本的jvm.dll上去，至於能不能運行還有待測試。

我們下面回到java.c的main函數中看看上面找到的jvm.dll是如何裝載掛接執行的。

該操作大致分為三步：
a、裝載jvm.dll動態串連庫。
b、初始化jvm.dll並掛接到JNIEnv（JNI調用介面）執行個體。
c、調用JNIEnv執行個體裝載並處理class類。

實現：
a、裝載jvm.dll動態串連庫是由main函數調用java_md.c中LoadJavaVM函數實現的。
main函數首先構造了一個InvocationFunctions結構的局部變數，InvocationFunctions
結構有兩個函數指標：

typedef struct {
    CreateJavaVM_t CreateJavaVM;
    GetDefaultJavaVMInitArgs_t GetDefaultJavaVMInitArgs;
} InvocationFunctions;

函數LoadJavaVM中先調用windows API函數：LoadLibrary裝載jvm.dll動態串連庫，
之後將jvm.dll中的匯出函數JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs
掛接到InvocationFunctions變數的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函數
指標變數上。jvm.dll的裝載工作宣告完成。

b、初始化jvm.dll並掛接到JNIEnv（JNI調用介面）執行個體是通過java.c中函數：
InitializeJVM完成的。
main方法中首先定義了一個JNIEnv結構的指標，JNIEnv結構中定義了許多與裝載class
類檔案、尋找類方法、調用類方法有關的函數指標變數。InitializeJVM會調用上面
以掛接jvm.dll中JNI_CreateJavaVM的InvocationFunctions結構變數的CreateJavaVM方法，即調用jvm.dll中函數JNI_CreateJavaVM，該函數會將JNIEnv結構的執行個體返回到main中的JNIEnv結構的指標上。這樣main中的JNIEnv指標擷取了JNIEnv執行個體後，就可以開始對class檔案進行處理了。

c、調用JNIEnv執行個體裝載並處理class類。
a)如果是執行jar包。
如果執行的是一個jar包的話，main函數會調用java.c中的函數：GetMainClassName，該函數使用JNIEnv執行個體構造並調用java類：java.util.jar.JarFile中方法getManifest()並從返回的Manifest對象中取getAttributes("Main-Class")的值，即jar包中檔案：
META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主類名作為啟動並執行主類。
之後main函數會調用java.c中LoadClass方法裝載該主類（使用JNIEnv執行個體的FindClass）。
b)如果是執行class方法。
main函數直接調用java.c中LoadClass方法裝載該類。

然後main函數調用JNIEnv執行個體的GetStaticMethodID方法尋找裝載的class主類中
“public static void main(String[] args)”方法，並判斷該方法是否為public方法，然後調用JNIEnv執行個體的CallStaticVoidMethod方法調用該java類的main方法。

總結
由上面的程式碼分析可以看出幾個問題。
a、為什麼JDK和JRE不一定通過安裝，直接拷到硬碟上，設定path環境變數就可以執行。因為java運行擷取jre路徑的首選方法正是直接通過擷取java.exe絕對路徑來判斷的，如果通過修改註冊表選項而不設定path環境變數也可以找到jre路徑所在。修改方法如下：
首先我們將java.exe拷到任意目錄下，我的拷到e:/temp下，在cmd中運行：
清空path環境變數
E:/temp>set path=
E:/temp>java
Error opening registry key 'Software/JavaSoft/Java Runtime Environment'
Error: could not find java.dll
Error: could not find Java 2 Runtime Environment.

匯入如下註冊表檔案（java.reg）

Windows Registry Editor Version 5.00

[HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft]

[HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft/Java Runtime Environment]
"CurrentVersion"="1.4"

[HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft/Java Runtime Environment/1.4]
"JavaHome"="D://java//j2sdk1.4.2_04//jre"

再執行顯示執行正常，如下：

E:/temp>java
Usage: java [-options] class [args...]
           (to execute a class)
   or  java [-options] -jar jarfile [args...]
           (to execute a jar file)

where options include:
    -client       to select the "client" VM
    -server       to select the "server" VM
    -hotspot      is a synonym for the "client" VM  [deprecated]
                  The default VM is client.

    -cp <class search path of directories and zip/jar files>
    -classpath <class search path of directories and zip/jar files>
                  A ; separated list of directories, JAR archives,
                  and ZIP archives to search for class files.
    -D<name>=<value>
                  set a system property
    -verbose[:class|gc|jni]
                  enable verbose output
    -version      print product version and exit
    -showversion  print product version and continue
    -? -help      print this help message
    -X            print help on non-standard options
    -ea[:<packagename>...|:<classname>]
    -enableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  enable assertions
    -da[:<packagename>...|:<classname>]
    -disableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  disable assertions
    -esa | -enablesystemassertions
                  enable system assertions
    -dsa | -disablesystemassertions
                  disable system assertions

b、java.exe是通過jvm.cfg檔案或直接指定jvm.dll路徑來裝載執行java程式的。
見上面例子。
c、不同實現版本的jvm.dll必然存在一個名為：JNI_CreateJavaVM的匯出函數，
java.exe正是通過調用該函數獲得JNIEnv調用介面來裝載執行class類的。這個
函數也是我們下一步研究java vm實作技巧的研究出發點。
JNI_CreateJavaVM函數位於：hotspot/src/share/vm/prims/jni.cpp檔案中。