java源代码分析----jvm.dll装载过程

含笑汉

众所周知java.exe是java
class文件的执行程序，但实际上java.exe程序只是一个执行的外壳，它会装载jvm.dll（windows下，以下皆以windows平台为
例， linux下和solaris下其实类似，为：libjvm.so），这个动态连接库才是java
虚拟机的实际操作处理所在。本文探究java.exe程序是如何查找和装载jvm.dll 动态库，并调用它进行class文件执行处理的.
转载：转载请保留本信息，本文来自
http://www.matrix.org.cn/resource/article/1650_jvm_loading_progress.html

简述
众所周知java.exe是java class文件的执行程序，但实际上java.exe程序只是
一个执行的外壳，它会装载jvm.dll（windows下，以下皆以windows平台为例，
linux下和solaris下其实类似，为：libjvm.so），这个动态连接库才是java
虚拟机的实际操作处理所在。本文探究java.exe程序是如何查找和装载jvm.dll
动态库，并调用它进行class文件执行处理的。
源代码
本文分析之代码，《JavaTM 2 SDK, Standard Edition, v1.4.2 fcs
Community Source Release》，可从sun官方网站下载，主要分析的源代码为：
j2sesrcshareinjava.c
j2sesrcwindowsinjava_md.c
java.c是什么东西
‘java程序’源代码
所谓‘java程序’，包括jdk中的java.exejavac.exejavadoc.exe，java.c源
代码中通过JAVA_ARGS宏来控制生成的代码，如果该宏没定义则编译文件控制生
成java.exe否则编译文件控制生成其他的‘java程序’。
比如：
j2semakejavajavacMakefile（这是javac编译文件）中：
$(CD) ../../sun/javac ; $(MAKE) $@ RELEASE=$(RELEASE) FULL_VERSION=$(FULL_VERSION)
j2semakesunjavacjavacMakefile（由上面Makefile文件调用）中：
JAVA_ARGS = "{ "-J-ms8m", "com.sun.tools.javac.Main" }"
则由同一份java.c代码生成的javac.exe程序就会直接调用java类方法：
com.sun.tools.javac.Main，这样使其执行起来就像是直接运行的一个exe文件，
而未定义JAVA_ARGS的java.exe程序则会调用传递过来参数中的类方法。
从java.c的main入口函数说起
main()函数中前面一段为重新分配参数指针的处理。
然后调用函数：CreateExecutionEnvironment，该函数主要查找java运行环境的
目录，和jvm.dll这个虚拟机核心动态连接库文件路径所在。根据操作系统不同，
该函数有不同实现版本，但大体处理逻辑相同，我们看看windows平台该函数的处
理（j2sesrcwindowsinjava_md.c）。
CreateExecutionEnvironment函数主要分为三步处理：
a、查找jre路径。
b、装载jvm.cfg中指定的虚拟机动态连接库（jvm.dll）参数。
c、取jvm.dll文件路径。
实现：
a、查找jre路径是通过java_md.c中函数：GetJREPath实现的。
该函数首先调用GetApplicationHome函数，GetApplicationHome函数调用windows
API函数GetModuleFileName取java.exe程序的绝对路径，以我的jdk安装路径为例，
为：“D:javaj2sdk1.4.2_04injava.exe”，然后去掉文件名取绝对路径为：
“D:javaj2sdk1.4.2_04in”，之后会在去掉最后一级目录，现在绝对路径为：
“D:javaj2sdk1.4.2_04”。
然后GetJREPath函数继续判断刚刚取的路径+injava.dll组合成的这个java.dll
文件是否存在，如果存在则“D:javaj2sdk1.4.2_04”为JRE路径，否则判断取得
的“D:javaj2sdk1.4.2_04”路径+jreinjava.dll文件是否存在，存在则
“D:javaj2sdk1.4.2_04jre”为JRE路径。如果上面两种情况都不存在，则从注
册表中去查找（参见函数GetPublicJREHome）。
函数：GetPublicJREHome先查找
HKEY_LOCAL_MACHINESoftwareJavaSoftJava Runtime EnvironmentCurrentVersion
键值“当前JRE版本号”，判断“当前JRE版本号”是否为1.4做为版本号，如果是则
取HKEY_LOCAL_MACHINESoftwareJavaSoftJava Runtime Environment“当前JRE版本号”
JavaHome的路径所在为JRE路径。
我的JDK返回的JRE路径为：“D:javaj2sdk1.4.2_04jre”。
b、装载jvm.cfg虚拟机动态连接库配置文件是通过java.c中函数:ReadKnownVMs实现
的。
该函数首先组合jvm.cfg文件的绝对路径，JRE路径+lib+ARCH（CPU构架）+jvm.cfg
ARCH（CPU构架）的判断是通过java_md.c中GetArch函数判断的，该函数中windows平
台只有两种情况：WIN64的‘ia64’，其他情况都为‘i386’。我的为i386所以jvm.cfg
文件绝对路径为：“D:javaj2sdk1.4.2_04jrelibi386jvm.cfg”。文件内容如
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=" 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
果细心的话，我们会发现在JDK目录中我的为：“D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclient”和“D:java
j2sdk1.4.2_04jreinserver”两个目录下都存在jvm.dll文件。而java正是通过jvm.cfg配置文件来管理这些
不同版本的jvm.dll的。）
ReadKnownVMs函数会将该文件中的配置内容读入到一个JVM配置结构的全局变量中，该函数首先跳过注释（以‘#’开始的行），然后读取以‘-’开始的行指定的jvm参数，每一行为一个jvm信息，第一部分为jvm虚拟机名称，第二部分为配置参数，比如行：
“-client KNOWN”则“-client”为虚拟机名称，而“KNOWN”为配置类型参数，“KNOWN”
表示该虚拟机的jvm.dll存在，而“ALIASED_TO”表示为另一个jvm.dll的别名，“WARN”
表示该虚拟机的jvm.dll不存在但运行时会用其他存在的jvm.dll替代执行，而“ERROR”
同样表示该类虚拟机的jvm.dll不存在且运行时不会找存在的jvm.dll替代而直接抛出错误
信息。
在
运行java程序时指定使用那个虚拟机的判断是由java.c中函数：CheckJvmType判断，该函数会检查java运行参数中是否有指定jvm的
参数，然后从ReadKnownVMs函数读取的jvm.cfg数据结构中去查找，从而指定不同的jvm类型（最终导致装载不同jvm.dll）。有两种
方法可以指定jvm类型，一种按照jvm.cfg文件中的jvm名称指定，第二种方法是直接指定，它们执行的方法分别是“java
-J”、“java -XXaltjvm=”或“java
-J-XXaltjvm=”。如果是第一种参数传递方式，CheckJvmType函数会取参数‘-J’后面的jvm名
称，然后从已知的jvm配置参数中查找如果找到同名的则去掉该jvm名称前的‘-’直接返回该值；而第二种方法，会直接返回“-XXaltjvm=”或
“-J-XXaltjvm=”后面的jvm类型名称；如果在运行java时未指定上面两种方法中的任一一种参数，CheckJvmType会取配置文件中
第一个配置中的jvm名称，去掉名称前面的‘-’返回该值。CheckJvmType函数的这个返回值会在下面的函数中汇同jre路径组合成
jvm.dll的绝对路径。
比如：如果在运行java程序时使用“java -J-client
test”则ReadKnownVMs会读取参数“-client”然后查找jvm.cfg读入的参数中是否有jvm名称为“-client”的，如果有
则去掉jvm名称前的“-”直接返回“client”；而如果在运行java程序时使用如下参数：
“java -XXaltjvm=D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclient test”，则ReadKnownVMs
会直接返回“D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclient”；如果不带上面参数执行如：
“java test”，因为在jvm.cfg配置文件中第一个存在的jvm为“-client”，所以函数
ReadKnownVMs也会去掉jvm名称前的“-”返回“client”。其实这三中情况都是使用的
“D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclientjvm.dll”这个jvm动态连接库处理test这个class的，见下面GetJVMPath函数。
c、取jvm.dll文件路径是通过java_md.c中函数：GetJVMPath实现的。
由上面两步我们已经获得了JRE路径和jvm的类型字符串。GetJVMPath函数判断CheckJvmType
返回的jvm类型字符串中是否包含了‘’或‘/’如果包含则以该jvm类型字符串+jvm.dll作为JVM的全路径，否则以JRE路径+in+jvm类型字符串+jvm.dll作为JVM的全路径。
看看上面的例子，第一种情况“java -J-client test”jvm.dll路径为：
JRE路径+in+jvm类型字符串+jvm.dll 按照我的JDK路径则为：
“D:javaj2sdk1.4.2_04jre”+“in”+“client”+“jvm.dll”。
第二种情况“java -XXaltjvm=D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclient test”路径为：
jvm类型字符串+jvm.dll即为：“D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclient”+“jvm.dll”
第三种情况“java test”为：“D:javaj2sdk1.4.2_04jre”+“in”+“client”
+“jvm.dll”与情况一相同。所以这三种情况都是调用的jvm动态连接库“D:java
j2sdk1.4.2_04jreinclientjvm.dll”处理test类的。
我们来进一步验证一下：
打开cmd控制台：
设置java装载调试
E:workjava_research>set _JAVA_LAUNCHER_DEBUG=1
情况一
E:workjava_research>java -J-client test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:javaj2sdk1.4.2_04jre
jvm.cfg[0] = ->-client-server-hotspot-classic-native-greenjava -XXaltjvm=D:javaj2sdk1.4.2_04jreinclient test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:javaj2sdk1.4.2_04jre
jvm.cfg[0] = ->-client-server-hotspot-classic-native-greenjava test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:javaj2sdk1.4.2_04jre
jvm.cfg[0] = ->-client-server-hotspot-classic-native-greenjava -J-server test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:javaj2sdk1.4.2_04jre
jvm.cfg[0] = ->-client-server-hotspot-classic-native-greenjava -XXaltjvm=D:javaj2sdk1.4.2_04jreinserver test.ScanDirectory
----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----
JRE path is D:javaj2sdk1.4.2_04jre
jvm.cfg[0] = ->-client-server-hotspot-classic-native-green
typedef struct {
    CreateJavaVM_t CreateJavaVM;
    GetDefaultJavaVMInitArgs_t GetDefaultJavaVMInitArgs;
} InvocationFunctions;
函数LoadJavaVM中先调用windows API函数：LoadLibrary装载jvm.dll动态连接库，
之后将jvm.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs
挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数
指针变量上。jvm.dll的装载工作宣告完成。
b、初始化jvm.dll并挂接到JNIEnv（JNI调用接口）实例是通过java.c中函数：
InitializeJVM完成的。
main方法中首先定义了一个JNIEnv结构的指针，JNIEnv结构中定义了许多与装载class
类文件、查找类方法、调用类方法有关的函数指针变量。InitializeJVM会调用上面
以
挂接jvm.dll中JNI_CreateJavaVM的InvocationFunctions结构变量的CreateJavaVM方法，即调用
jvm.dll中函数JNI_CreateJavaVM，该函数会将JNIEnv结构的实例返回到main中的JNIEnv结构的指针上。这样main中
的JNIEnv指针获取了JNIEnv实例后，就可以开始对class文件进行处理了。
c、调用JNIEnv实例装载并处理class类。
a)如果是执行jar包。
如
果执行的是一个jar包的话，main函数会调用java.c中的函数：GetMainClassName，该函数使用JNIEnv实例构造并调用
java类：java.util.jar.JarFile中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取
getAttributes("Main-Class")的值，即jar包中文件：
META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。
之后main函数会调用java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。
b)如果是执行class方法。
main函数直接调用java.c中LoadClass方法装载该类。
然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中
“public static void main(String[] args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的CallStaticVoidMethod方法调用该java类的main方法。
总结
由上面的代码分析可以看出几个问题。
a、
为什么JDK和JRE不一定通过安装，直接拷到硬盘上，设置path环境变量就可以执行。因为java运行获取jre路径的首选方法正是直接通过获取
java.exe绝对路径来判断的，如果通过修改注册表选项而不设置path环境变量也可以找到jre路径所在。修改方法如下：
首先我们将java.exe拷到任意目录下，我的拷到e:        emp下，在cmd中运行：
清空path环境变量
E:        emp>set path=
E:        emp>java
Error opening registry key 'SoftwareJavaSoftJava Runtime Environment'
Error: could not find java.dll
Error: could not find Java 2 Runtime Environment.
导入如下注册表文件（java.reg）
Windows Registry Editor Version 5.00
[HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWAREJavaSoft]
[HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWAREJavaSoftJava Runtime Environment]
"CurrentVersion"="1.4"
[HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWAREJavaSoftJava Runtime Environment.4]
"JavaHome"="D:javaj2sdk1.4.2_04jre"
再执行显示执行正常，如下：
E:        emp>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
    -classpath
                  A ; separated list of directories, JAR archives,
                  and ZIP archives to search for class files.
    -D=
                  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[:...|:]
    -enableassertions[:...|:]
                  enable assertions
    -da[:...|:]
    -disableassertions[:...|:]
                  disable assertions
    -esa | -enablesystemassertions
                  enable system assertions
    -dsa | -disablesystemassertions
                  disable system assertions
b、java.exe是通过jvm.cfg文件或直接指定jvm.dll路径来装载执行java程序的。
见上面例子。
c、不同实现版本的jvm.dll必然存在一个名为：JNI_CreateJavaVM的导出函数，
java.exe正是通过调用该函数获得JNIEnv调用接口来装载执行class类的。这个
函数也是我们下一步研究java vm实作技巧的研究出发点。
JNI_CreateJavaVM函数位于：hotspotsrcsharevmprimsjni.cpp文件中。

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