探秘Java：从main函数启动开始

<section id="nice" data-tool="mdnice编辑器" data-website="https://www.mdnice.com" style="line-height: 1.6; word-break: break-word; word-wrap: break-word; text-align: left; font-family: Optima-Regular, Optima, PingFangSC-light, PingFangTC-light, 'PingFang SC', Cambria, Cochin, Georgia, Times, 'Times New Roman', serif; padding: 5px; font-size: 16px; color: #353535; word-spacing: 0.8px; letter-spacing: 0.8px; border-radius: 16px;"><figure data-tool="mdnice编辑器" style="margin: 0; margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center; border-radius: 16px; overflow: hidden;"><img src="https://bruce-test-store.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/study/img/%E6%8E%A2%E7%A7%98Java%EF%BC%9A%E4%BB%8Emain%E5%87%BD%E6%95%B0%E5%BC%80%E5%A7%8B.png" alt="从main函数开始" style="border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; max-width: 95%; object-fit: contain;"><figcaption style="margin-top: 5px; text-align: center; color: #888; display: block; font-size: 12px;">从main函数开始</figcaption></figure> <blockquote class="multiquote-1" data-tool="mdnice编辑器" style="border: none; display: block; font-size: 0.9em; overflow: auto; overflow-scrolling: touch; padding-top: 10px; padding-bottom: 10px; padding-left: 20px; padding-right: 10px; margin-bottom: 20px; margin-top: 20px; font-style: normal; border-left: none; padding: 15px 10px; line-height: 1.75; border-radius: 13px; color: #353535; background: #f5f5f5;">“ 人生苦短，不如养狗 ”</blockquote> <h2 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px; margin-bottom: 15px; padding: 0px; font-weight: bold; color: black; font-size: 22px; text-align: left; margin: 20px 10px 0px 0px;">一、前言</h2> 不知道在座的各位朋友是否跟我一样，初学Java时写下的第一段代码就是类似下面这段代码： <pre class="custom" data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"><span style="display: block; background: url(https://files.mdnice.com/user/3441/876cad08-0422-409d-bb5a-08afec5da8ee.svg); height: 30px; width: 100%; background-size: 40px; background-repeat: no-repeat; background-color: #282c34; margin-bottom: -7px; border-radius: 5px; background-position: 10px 10px;"><code class="hljs" style="overflow-x: auto; padding: 16px; color: #abb2bf; display: -webkit-box; font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 12px; -webkit-overflow-scrolling: touch; padding-top: 15px; background: #282c34; border-radius: 5px;"> public static void main(String[] args) { System.out.println("hello, world!"); } </code></pre> 上面代码的功能非常简单，就是在控制台中打印出"hell, world!"这句话。当然今天我们要关注的不是这段代码实现的功能，而是这段代码出现的地方，也就是 main函数 。 <h2 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px; margin-bottom: 15px; padding: 0px; font-weight: bold; color: black; font-size: 22px; text-align: left; margin: 20px 10px 0px 0px;">二、万物始于main函数</h2> 回顾曾经写过的代码，无论是复杂的微服务项目，还是一行简单的 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">System.out.println()</code> ，代码的入口函数一定是main函数，这已经成为编写代码时无需质疑的定式。但作为一个有梦想的程序猿，做事要知其然也要知其所以然，下面就让我们一起来探究一下为何万物始于main函数。 <h3 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px; margin-bottom: 15px; padding: 0px; font-weight: bold; color: black; font-size: 20px;">1. 为什么是main函数</h3> 众所周知，我们编写的Java文件都是运行在JVM虚拟机上面，也就是说程序的编译和运行都是要遵循JVM的规定，那么我们就来看一看JVM源码中是如何规定的。 在JVM启动程序中定义了这样一个方法 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">int JNICALL JavaMain(void * args);</code> ，在这个方法中确定了如何加载Java应用程序的入口类和入口方法，这里我们暂时省略其他代码，直接阅读一下加载入口方法的代码： <pre class="custom" data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"><span style="display: block; background: url(https://files.mdnice.com/user/3441/876cad08-0422-409d-bb5a-08afec5da8ee.svg); height: 30px; width: 100%; background-size: 40px; background-repeat: no-repeat; background-color: #282c34; margin-bottom: -7px; border-radius: 5px; background-position: 10px 10px;"><code class="hljs" style="overflow-x: auto; padding: 16px; color: #abb2bf; display: -webkit-box; font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 12px; -webkit-overflow-scrolling: touch; padding-top: 15px; background: #282c34; border-radius: 5px;"> /* 获取应用的main */ mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V"); if (mainID == NULL) { if ((*env)->ExceptionOccurred(env)) { ReportExceptionDescription(env); } else { message = "No main method found in specified class."; messageDest = JNI_TRUE; } goto leave; } { /* 确保main方法是公有的 */ jint mods; jmethodID mid; jobject obj = (*env)->ToReflectedMethod(env, mainClass, mainID, JNI_TRUE); if( obj == NULL) { /* 抛出异常 */ ReportExceptionDescription(env); goto leave; } mid = (*env)->GetMethodID(env, (*env)->GetObjectClass(env, obj), "getModifiers", "()I"); if ((*env)->ExceptionOccurred(env)) { ReportExceptionDescription(env); goto leave; } mods = (*env)->CallIntMethod(env, obj, mid); if ((mods & 1) == 0) { /* if (!Modifier.isPublic(mods)) ... */ message = "Main method not public."; messageDest = JNI_TRUE; goto leave; } } /* Build argument array */ mainArgs = NewPlatformStringArray(env, argv, argc); if (mainArgs == NULL) { ReportExceptionDescription(env); goto leave; } /* 执行main方法 */ (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs); </code></pre> 在上面的代码中我们可以看到，JVM在启动过程中会根据指定的 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">MainClass</code> 即初始类去获取该类中的 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">main</code> 方法，同时这里也明确了main方法必须是静态的、公有的且参数列表为 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">String</code> 数组。看到这里，想必大家应该明白为什么在编写Java程序时入口函数一定需要是main函数了。 <h3 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px; margin-bottom: 15px; padding: 0px; font-weight: bold; color: black; font-size: 20px;">2. main函数如何执行</h3> 了解了为什么Java程序的入口方法一定是main方法，下面我们再来了解一下一个包含main方法的Java程序到底是如何被执行的。 当我们在idea中去执行上述代码时，实际上执行的是这样一行命令： <pre class="custom" data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"><span style="display: block; background: url(https://files.mdnice.com/user/3441/876cad08-0422-409d-bb5a-08afec5da8ee.svg); height: 30px; width: 100%; background-size: 40px; background-repeat: no-repeat; background-color: #282c34; margin-bottom: -7px; border-radius: 5px; background-position: 10px 10px;"><code class="hljs" style="overflow-x: auto; padding: 16px; color: #abb2bf; display: -webkit-box; font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 12px; -webkit-overflow-scrolling: touch; padding-top: 15px; background: #282c34; border-radius: 5px;">java {类名}.java </code></pre> 在上面这行命令中出现的 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">java</code> 指令实际上是jdk提供的执行java程序的指令，指令后面紧跟着的文件名就是待执行的java程序。这行命令会启动 java.exec 这样一个可执行程序，在这个可执行程序中会执行 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">src/share/tools/launcher/java.c</code> 文件中的main方法，进行JVM启动前的运行环境版本检查、配置初始化并创建一个JVM进程来执行Java程序，执行Java程序的过程就是上面代码展示的寻找并调用入口类的main方法。 需要注意的是JVM执行的java程序是已经编译完成的 .class文件 ，也即在执行指令之处会执行 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">javac</code> 指令对.java文件进行编译，然后在进行执行上述的操作。这里从上面获取java程序中main方法的代码中也可以看出来： <pre class="custom" data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"><span style="display: block; background: url(https://files.mdnice.com/user/3441/876cad08-0422-409d-bb5a-08afec5da8ee.svg); height: 30px; width: 100%; background-size: 40px; background-repeat: no-repeat; background-color: #282c34; margin-bottom: -7px; border-radius: 5px; background-position: 10px 10px;"><code class="hljs" style="overflow-x: auto; padding: 16px; color: #abb2bf; display: -webkit-box; font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 12px; -webkit-overflow-scrolling: touch; padding-top: 15px; background: #282c34; border-radius: 5px;">mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V"); </code></pre> 这里参数列表的写法就是编译后的二进制.class文件中的写法，有兴趣的同学可以通过idea自带的查看二进制文件的工具自行查看一下。 接下来的逻辑就是我们日常了解到的JVM加载、链接和初始化类和接口的流程，这里就不做过多的展开。 <h3 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px; margin-bottom: 15px; padding: 0px; font-weight: bold; color: black; font-size: 20px;">3. Java程序的执行方式</h3> 在日常的开发过程中，除了上面直接运行一个java文件，我们大部分情况都是将Java程序打包成一个jar包进行运行，这里从源码中也能得窥一二。 <pre class="custom" data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"><span style="display: block; background: url(https://files.mdnice.com/user/3441/876cad08-0422-409d-bb5a-08afec5da8ee.svg); height: 30px; width: 100%; background-size: 40px; background-repeat: no-repeat; background-color: #282c34; margin-bottom: -7px; border-radius: 5px; background-position: 10px 10px;"><code class="hljs" style="overflow-x: auto; padding: 16px; color: #abb2bf; display: -webkit-box; font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 12px; -webkit-overflow-scrolling: touch; padding-top: 15px; background: #282c34; border-radius: 5px;"> if (jarfile != 0) { // 如果使用jar方式运行，则从对应jar中获取mainClass mainClassName = GetMainClassName(env, jarfile); if ((*env)->ExceptionOccurred(env)) { ReportExceptionDescription(env); goto leave; } if (mainClassName == NULL) { const char * format = "Failed to load Main-Class manifest " "attribute from\n%s"; message = (char*)JLI_MemAlloc((strlen(format) + strlen(jarfile)) * sizeof(char)); sprintf(message, format, jarfile); messageDest = JNI_TRUE; goto leave; } classname = (char *)(*env)->GetStringUTFChars(env, mainClassName, 0); if (classname == NULL) { ReportExceptionDescription(env); goto leave; } mainClass = LoadClass(env, classname); if(mainClass == NULL) { /* exception occured */ const char * format = "Could not find the main class: %s. Program will exit."; ReportExceptionDescription(env); message = (char *)JLI_MemAlloc((strlen(format) + strlen(classname)) * sizeof(char) ); messageDest = JNI_TRUE; sprintf(message, format, classname); goto leave; } (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, mainClassName, classname); } else { // 直接指定入口mainClass的className mainClassName = NewPlatformString(env, classname); if (mainClassName == NULL) { const char * format = "Failed to load Main Class: %s"; message = (char *)JLI_MemAlloc((strlen(format) + strlen(classname)) * sizeof(char) ); sprintf(message, format, classname); messageDest = JNI_TRUE; goto leave; } classname = (char *)(*env)->GetStringUTFChars(env, mainClassName, 0); if (classname == NULL) { ReportExceptionDescription(env); goto leave; } mainClass = LoadClass(env, classname); if(mainClass == NULL) { /* exception occured */ const char * format = "Could not find the main class: %s. Program will exit."; ReportExceptionDescription(env); message = (char *)JLI_MemAlloc((strlen(format) + strlen(classname)) * sizeof(char) ); messageDest = JNI_TRUE; sprintf(message, format, classname); goto leave; } (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, mainClassName, classname); } </code></pre> 从上述的代码中可以看到，获取应用程序的主类分为两种情况，一种是通过获取jar包中 <code style="font-size: 14px; word-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin: 0 2px; background-color: rgba(27,31,35,.05); font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; color: rgb(271, 93, 108);">META-INF/MANIFEST.MF</code> 文件中指定的Main-Class类名，一种是通过指定className来获取（也就是上面示例中方式）。 <h2 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px; margin-bottom: 15px; padding: 0px; font-weight: bold; color: black; font-size: 22px; text-align: left; margin: 20px 10px 0px 0px;">三、总结</h2> 心血来潮重新回顾了一下当初只知其然不知其所以然的知识点，分析不一定到位，仅供大家参考。上面分析使用的jdk源码是基于openJDK官网提供的 hotspot 1.7版本的源码，有兴趣的同学可以到官网上面下载源码阅读学习一下。 </section>

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