没想到进入main函数前,发生了这么多事!

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2021-03-18 09:35

题外话

最近这段时间,辕有些迷茫了,工作生活中一堆事儿,忙得两头摸黑,很难找到时间静下心来写文章就连你现在看到的这一篇还是我点灯熬油到1点钟才写完的

估计朋友们也有发现了,这段时间故事文章少了很多,确实是这样,不像水文几下完事儿,也不像普通技术文章按照标准流程走就行。故事文需要放空自己,有好的灵感才能一气呵成。

这段时间有好几个选题,都开了个头,占了个坑,然后因为没时间思考,所以一直留着···

所以今天,先写了一篇别的顶一顶,故事文章大家再给我点时间吧,感谢各位老铁的支持!



在之前的一篇文章中,聊过从创建进程到进入main函数,发生了什么?

但当时只是针对C/C++这样的native语言,从操作系统(Linux & Windows)的层面去探讨了程序的启动过程,而对Java、Python这样的基于虚拟机/解释器的语言并未提及。

今天,咱们就一起来探索下在Java语言中,你写的main方法又是怎么被执行到的?

对于Java而言,其底层是Java虚拟机在跑着,也就是JVM,这篇文章如无特殊说明,默认以Hotspot为研究对象。

先来回顾一下那篇文章,对于C/C++程序而言,从创建进程到进入main函数,主要就是经历了四个阶段:

  • 进程 & 主线程创建阶段
  • 主线程启动执行并进行进程级初始化操作(如加载系统动态链接库)
  • 主线程进入可执行文件的入口(OEP)并进行C/C++运行时库初始化
  • 从C/C++运行时库调入main函数

你知道的,Java的虚拟机JVM主要是C++编写的,所以JVM本质上也算是一个C++程序。

因此,上面的四个阶段,对于JVM而言,同样适用。

只不过呢,对于C/C++程序而言,到这里就已经进入main函数了,话题就可以结束了,而对于Java程序,执行到JVM的main,一切才刚刚开始。

JVM的main

故事,要从JVM的main函数开始讲起···

你应该知道的,不管你是普通Java程序,还是用的Spring或者其他什么框架,最终的程序都是在一个Java进程中运行的,这个进程的可执行文件就是一个exe(windows上)或者elf(linux上)。

咱们就从这个可执行文件入手,以Linux系统上的Java8版本为例,用反汇编神器IDA打开可以看到,这个可执行文件的入口:

和咱们在上一篇分析的流程符合,进入这个程序启动入口后,会经过一系列的调用,最后来到main函数:

反汇编看着好头大,好在,HotSpot虚拟机有开源版本,咱们可以去OpenJDK中找来这个main函数的源码瞧瞧。

不同版本差异还是挺大,这里以Java8为例:

代码路径:https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk8-b20/jdk/src/share/bin/main.c

在这个代码中除了main函数,还可以看到如果定义了JAVAW宏定义,则入口从main变成了WinMain函数,做过Windows应用程序开发的朋友这个时候应该露出了满意的微笑。

如果定义了JAVAW,则是一个Win32 GUI的程序,当然在Linux上是肯定没有这个宏定义的,不过这不是本文的主题。

可以看到main函数只是一个包装,直接就进入了JLI_Launch中。

这个函数位于同目录下的隔壁java.c文件中,是JVM非常重要的初始化函数,主要完成了下面几件事情:

  • 参数解析,环境配置
  • 检查Java运行环境
  • 加载JVM核心动态库libjvm.so
  • 创建并初始化Java虚拟机对象

这些过程都不是我们这篇文章探究的目标,咱们继续把目光聚焦在Java中的main函数是怎么得到调用的。

在JLI_Launch的结尾,调用了ContinueInNewThread,从这个函数的名字我们也能窥探它的作用。

这个函数还是一层封装,内部调用了真正干活的函数ContinueInNewThread0

接下来就是创建线程来继续后面的事情了,不过创建线程涉及到操作系统API的调用,所以这个函数在不同版本的系统中都有对应的实现。来看传给它的第一个参数,这是新线程启动后将要执行的入口函数:JavaMain

JavaMain

这个函数的名字就有点意思了,看起来,快要进入Java的地界儿了,加油继续看下去:

int JNICALL  JavaMain(void * _args) {
 
    // ...
    // 寻找启动类
    mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);
    // ...
    // 寻找启动类中的main函数
    mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
                                       "([Ljava/lang/String;)V");
    // ...
    // 调用它
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
    // ...
}

JavaMain中的细节挺多的,咱们抽出需要关心的,要调用咱们写的main方法就像把大象关进冰箱一共三步:

  • 找到启动类
  • 找到启动类中的main方法
  • 调用它

具体寻找的过程这里就不展开了,有些繁琐,但你应该能猜到,Java代码编译后都是以class文件的形式存储的,所以这个寻找的背后少不了要涉及到class类加载等一系列的工作。

总之,一顿操作猛如虎,嘿,JVM把咱们写的main方法找到了!接下来就是调用它了。

进入Java世界

调用main方法的是CallStaticVoidMethod,从名字可以看到,这是在调用一个静态的、返回值为空的方法。注意了,C++的地盘快到边境了,咱们即将通过它来到美丽的Java新世界!

这个函数内部后面会来到:

JavaCalls::call(result, method, &java_args, CHECK);

最终,会创建Java方法栈帧,准备好模板解释器,随后转向解释器入口开始执行字节码,正式进入Java世界!

进入Java世界第一站,就是前面找到的启动类的main方法,在这里开启程序在Java世界的征程。

总结

现在可以来回答这个问题了:从创建进程到Java的main方法,经历了什么?

咱们来划分三个大的阶段:

第一阶段:操作系统层面进程和主线程的创建

第二阶段:主线程启动执行并进入到Java可执行文件(exe/elf)中的main函数(C++层面)

第三阶段:创建JVM,寻找启动类中的main方法,启动解释器执行对应字节码进入Java世界

前两个阶段是上一篇文章《从创建进程到进入main函数,发生了什么?》讨论的内容,第三阶段则是本文的内容。

现在你明白你写的main方法是怎么被调用的了吗?

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