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前言
本文分析的是spring boot 1.3. 的工作原理。spring boot 1.4. 之后打包結構發現了變化，增加了BOOT-INF目錄，但是基本原理還是不變的。
關于spring boot 1.4.* 里ClassLoader的變化，可以參考：https://www.jb51.net/article/141479.htm
spring boot quick start
在spring boot里，很吸引人的一個特性是可以直接把應用打包成為一個jar/war，然后這個jar/war是可以直接啟動的，不需要另外配置一個Web Server。
如果之前沒有使用過spring boot可以通過下面的demo來感受下。
下面以這個工程為例，演示如何啟動Spring boot項目：
git clone git@github.com:hengyunabc/spring-boot-demo.git mvn spring-boot-demo java -jar target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar
如果使用的IDE是spring sts或者idea，可以通過向導來創建spring boot項目。
也可以參考官方教程：
http://docs.spring.io/spring-boot/docs/current-SNAPSHOT/reference/htmlsingle/#getting-started-first-application
對spring boot的兩個疑問
剛開始接觸spring boot時，通常會有這些疑問
下面來分析spring boot是如何做到的。
打包為單個jar時，spring boot的啟動方式
maven打包之后，會生成兩個jar文件：
demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original
其中demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original是默認的maven-jar-plugin生成的包。
demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar是spring boot maven插件生成的jar包，里面包含了應用的依賴，以及spring boot相關的類。下面稱之為fat jar。
先來查看spring boot打好的包的目錄結構（不重要的省略掉）：
├── META-INF
│ ├── MANIFEST.MF
├── application.properties
├── com
│ └── example
│ └── SpringBootDemoApplication.class
├── lib
│ ├── aopalliance-1.0.jar
│ ├── spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar
│ ├── ...
└── org
└── springframework
└── boot
└── loader
├── ExecutableArchiveLauncher.class
├── JarLauncher.class
├── JavaAgentDetector.class
├── LaunchedURLClassLoader.class
├── Launcher.class
├── MainMethodRunner.class
├── ...
依次來看下這些內容。
MANIFEST.MF
Manifest-Version: 1.0 Start-Class: com.example.SpringBootDemoApplication Implementation-Vendor-Id: com.example Spring-Boot-Version: 1.3.0.RELEASE Created-By: Apache Maven 3.3.3 Build-Jdk: 1.8.0_60 Implementation-Vendor: Pivotal Software, Inc. Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher
可以看到有Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher ，這個是jar啟動的Main函數。
還有一個Start-Class是com.example.SpringBootDemoApplication，這個是我們應用自己的Main函數。
@SpringBootApplication
public class SpringBootDemoApplication {
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(SpringBootDemoApplication.class, args);
}
}
com/example 目錄
這下面放的是應用的.class文件。
lib目錄
這里存放的是應用的Maven依賴的jar包文件。
比如spring-beans，spring-mvc等jar。
org/springframework/boot/loader 目錄
這下面存放的是Spring boot loader的.class文件。
Archive的概念
在spring boot里，抽象出了Archive的概念。
一個archive可以是一個jar（JarFileArchive），也可以是一個文件目錄（ExplodedArchive）。可以理解為Spring boot抽象出來的統一訪問資源的層。
上面的demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar 是一個Archive，然后demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar里的/lib目錄下面的每一個Jar包，也是一個Archive。
public abstract class Archive {
public abstract URL getUrl();
public String getMainClass();
public abstract Collection<Entry> getEntries();
public abstract List<Archive> getNestedArchives(EntryFilter filter);
可以看到Archive有一個自己的URL，比如：
jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/
還有一個getNestedArchives函數，這個實際返回的是demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar/lib下面的jar的Archive列表。它們的URL是：
jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/lib/aopalliance-1.0.jar jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/lib/spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar
JarLauncher
從MANIFEST.MF可以看到Main函數是JarLauncher，下面來分析它的工作流程。
JarLauncher類的繼承結構是：
class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher class ExecutableArchiveLauncher extends Launcher
以demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar創建一個Archive：
JarLauncher先找到自己所在的jar，即demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar的路徑，然后創建了一個Archive。
下面的代碼展示了如何從一個類找到它的加載的位置的技巧：
protected final Archive createArchive() throws Exception {
ProtectionDomain protectionDomain = getClass().getProtectionDomain();
CodeSource codeSource = protectionDomain.getCodeSource();
URI location = (codeSource == null ? null : codeSource.getLocation().toURI());
String path = (location == null ? null : location.getSchemeSpecificPart());
if (path == null) {
throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive");
}
File root = new File(path);
if (!root.exists()) {
throw new IllegalStateException(
"Unable to determine code source archive from " + root);
}
return (root.isDirectory() ? new ExplodedArchive(root)
: new JarFileArchive(root));
}
獲取lib/下面的jar，并創建一個LaunchedURLClassLoader
JarLauncher創建好Archive之后，通過getNestedArchives函數來獲取到demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar/lib下面的所有jar文件，并創建為List。
注意上面提到，Archive都是有自己的URL的。
獲取到這些Archive的URL之后，也就獲得了一個URL[]數組，用這個來構造一個自定義的ClassLoader：LaunchedURLClassLoader。
創建好ClassLoader之后，再從MANIFEST.MF里讀取到Start-Class，即com.example.SpringBootDemoApplication，然后創建一個新的線程來啟動應用的Main函數。
/**
* Launch the application given the archive file and a fully configured classloader.
*/
protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader)
throws Exception {
Runnable runner = createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader);
Thread runnerThread = new Thread(runner);
runnerThread.setContextClassLoader(classLoader);
runnerThread.setName(Thread.currentThread().getName());
runnerThread.start();
}
/**
* Create the {@code MainMethodRunner} used to launch the application.
*/
protected Runnable createMainMethodRunner(String mainClass, String[] args,
ClassLoader classLoader) throws Exception {
Class<?> runnerClass = classLoader.loadClass(RUNNER_CLASS);
Constructor<?> constructor = runnerClass.getConstructor(String.class,
String[].class);
return (Runnable) constructor.newInstance(mainClass, args);
}
LaunchedURLClassLoader
LaunchedURLClassLoader和普通的URLClassLoader的不同之處是，它提供了從Archive里加載.class的能力。
結合Archive提供的getEntries函數，就可以獲取到Archive里的Resource。當然里面的細節還是很多的，下面再描述。
spring boot應用啟動流程總結
看到這里，可以總結下Spring Boot應用的啟動流程：
spring boot loader里的細節
代碼地址：https://github.com/spring-projects/spring-boot/tree/master/spring-boot-tools/spring-boot-loader
JarFile URL的擴展
Spring boot能做到以一個fat jar來啟動，最重要的一點是它實現了jar in jar的加載方式。
JDK原始的JarFile URL的定義可以參考這里：
http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/net/JarURLConnection.html
原始的JarFile URL是這樣子的：
jar:file:/tmp/target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar!/
jar包里的資源的URL：
可以看到對于Jar里的資源，定義以'!/‘來分隔。原始的JarFile URL只支持一個'!/‘。
Spring boot擴展了這個協議，讓它支持多個'!/‘，就可以表示jar in jar，jar in directory的資源了。
比如下面的URL表示demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar這個jar里lib目錄下面的spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar里面的MANIFEST.MF：
自定義URLStreamHandler，擴展JarFile和JarURLConnection
在構造一個URL時，可以傳遞一個Handler，而JDK自帶有默認的Handler類，應用可以自己注冊Handler來處理自定義的URL。
public URL(String protocol, String host, int port, String file, URLStreamHandler handler) throws MalformedURLException
參考：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/net/URL.html#URL-java.lang.String-java.lang.String-int-java.lang.String-
Spring boot通過注冊了一個自定義的Handler類來處理多重jar in jar的邏輯。
這個Handler內部會用SoftReference來緩存所有打開過的JarFile。
在處理像下面這樣的URL時，會循環處理'!/‘分隔符，從最上層出發，先構造出demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar這個JarFile，再構造出spring-beans-4.2.3.RELEASE.jar這個JarFile，然后再構造出指向MANIFEST.MF的JarURLConnection。
//org.springframework.boot.loader.jar.Handler
public class Handler extends URLStreamHandler {
private static final String SEPARATOR = "!/";
private static SoftReference<Map<File, JarFile>> rootFileCache;
@Override
protected URLConnection openConnection(URL url) throws IOException {
if (this.jarFile != null) {
return new JarURLConnection(url, this.jarFile);
}
try {
return new JarURLConnection(url, getRootJarFileFromUrl(url));
}
catch (Exception ex) {
return openFallbackConnection(url, ex);
}
}
public JarFile getRootJarFileFromUrl(URL url) throws IOException {
String spec = url.getFile();
int separatorIndex = spec.indexOf(SEPARATOR);
if (separatorIndex == -1) {
throw new MalformedURLException("Jar URL does not contain !/ separator");
}
String name = spec.substring(0, separatorIndex);
return getRootJarFile(name);
}
ClassLoader如何讀取到Resource
對于一個ClassLoader，它需要哪些能力？
對應的API是：
public URL findResource(String name) public InputStream getResourceAsStream(String name)
上面提到，Spring boot構造LaunchedURLClassLoader時，傳遞了一個URL[]數組。數組里是lib目錄下面的jar的URL。
對于一個URL，JDK或者ClassLoader如何知道怎么讀取到里面的內容的？
實際上流程是這樣子的：
最終調用的是JarURLConnection的getInputStream()函數。
//org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection
@Override
public InputStream getInputStream() throws IOException {
connect();
if (this.jarEntryName.isEmpty()) {
throw new IOException("no entry name specified");
}
return this.jarEntryData.getInputStream();
}
從一個URL，到最終讀取到URL里的內容，整個過程是比較復雜的，總結下：
這里面的細節很多，只列出比較重要的一些點。
然后，URLClassLoader是如何getResource的呢？
URLClassLoader在構造時，有URL[]數組參數，它內部會用這個數組來構造一個URLClassPath:
URLClassPath ucp = new URLClassPath(urls);
在 URLClassPath 內部會為這些URLS 都構造一個Loader，然后在getResource時，會從這些Loader里一個個去嘗試獲取。
如果獲取成功的話，就像下面那樣包裝為一個Resource。
Resource getResource(final String name, boolean check) {
final URL url;
try {
url = new URL(base, ParseUtil.encodePath(name, false));
} catch (MalformedURLException e) {
throw new IllegalArgumentException("name");
}
final URLConnection uc;
try {
if (check) {
URLClassPath.check(url);
}
uc = url.openConnection();
InputStream in = uc.getInputStream();
if (uc instanceof JarURLConnection) {
/* Need to remember the jar file so it can be closed
* in a hurry.
*/
JarURLConnection juc = (JarURLConnection)uc;
jarfile = JarLoader.checkJar(juc.getJarFile());
}
} catch (Exception e) {
return null;
}
return new Resource() {
public String getName() { return name; }
public URL getURL() { return url; }
public URL getCodeSourceURL() { return base; }
public InputStream getInputStream() throws IOException {
return uc.getInputStream();
}
public int getContentLength() throws IOException {
return uc.getContentLength();
}
};
}
從代碼里可以看到，實際上是調用了url.openConnection()。這樣完整的鏈條就可以連接起來了。
注意，URLClassPath這個類的代碼在JDK里沒有自帶，在這里看到 http://grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/root/jdk/openjdk/7u40-b43/sun/misc/URLClassPath.java#506
在IDE/開放目錄啟動Spring boot應用
在上面只提到在一個fat jar里啟動Spring boot應用的過程，下面分析IDE里Spring boot是如何啟動的。
在IDE里，直接運行的Main函數是應用自己的Main函數：
@SpringBootApplication
public class SpringBootDemoApplication {
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(SpringBootDemoApplication.class, args);
}
}
其實在IDE里啟動Spring boot應用是最簡單的一種情況，因為依賴的Jar都讓IDE放到classpath里了，所以Spring boot直接啟動就完事了。
還有一種情況是在一個開放目錄下啟動Spring boot啟動。所謂的開放目錄就是把fat jar解壓，然后直接啟動應用。
java org.springframework.boot.loader.JarLauncher
這時，Spring boot會判斷當前是否在一個目錄里，如果是的，則構造一個ExplodedArchive（前面在jar里時是JarFileArchive），后面的啟動流程類似fat jar的。
Embead Tomcat的啟動流程
判斷是否在web環境
spring boot在啟動時，先通過一個簡單的查找Servlet類的方式來判斷是不是在web環境：
private static final String[] WEB_ENVIRONMENT_CLASSES = { "javax.servlet.Servlet",
"org.springframework.web.context.ConfigurableWebApplicationContext" };
private boolean deduceWebEnvironment() {
for (String className : WEB_ENVIRONMENT_CLASSES) {
if (!ClassUtils.isPresent(className, null)) {
return false;
}
}
return true;
}
如果是的話，則會創建AnnotationConfigEmbeddedWebApplicationContext，否則Spring context就是AnnotationConfigApplicationContext：
//org.springframework.boot.SpringApplication
protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() {
Class<?> contextClass = this.applicationContextClass;
if (contextClass == null) {
try {
contextClass = Class.forName(this.webEnvironment
? DEFAULT_WEB_CONTEXT_CLASS : DEFAULT_CONTEXT_CLASS);
}
catch (ClassNotFoundException ex) {
throw new IllegalStateException(
"Unable create a default ApplicationContext, "
+ "please specify an ApplicationContextClass",
ex);
}
}
return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiate(contextClass);
}
獲取EmbeddedServletContainerFactory的實現類
spring boot通過獲取EmbeddedServletContainerFactory來啟動對應的web服務器。
常用的兩個實現類是TomcatEmbeddedServletContainerFactory和JettyEmbeddedServletContainerFactory。
啟動Tomcat的代碼：
//TomcatEmbeddedServletContainerFactory
@Override
public EmbeddedServletContainer getEmbeddedServletContainer(
ServletContextInitializer... initializers) {
Tomcat tomcat = new Tomcat();
File baseDir = (this.baseDirectory != null ? this.baseDirectory
: createTempDir("tomcat"));
tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
Connector connector = new Connector(this.protocol);
tomcat.getService().addConnector(connector);
customizeConnector(connector);
tomcat.setConnector(connector);
tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
tomcat.getEngine().setBackgroundProcessorDelay(-1);
for (Connector additionalConnector : this.additionalTomcatConnectors) {
tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
}
prepareContext(tomcat.getHost(), initializers);
return getTomcatEmbeddedServletContainer(tomcat);
}
會為tomcat創建一個臨時文件目錄，如：
/tmp/tomcat.2233614112516545210.8080，做為tomcat的basedir。里面會放tomcat的臨時文件，比如work目錄。
還會初始化Tomcat的一些Servlet，比如比較重要的default/jsp servlet：
private void addDefaultServlet(Context context) {
Wrapper defaultServlet = context.createWrapper();
defaultServlet.setName("default");
defaultServlet.setServletClass("org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet");
defaultServlet.addInitParameter("debug", "0");
defaultServlet.addInitParameter("listings", "false");
defaultServlet.setLoadOnStartup(1);
// Otherwise the default location of a Spring DispatcherServlet cannot be set
defaultServlet.setOverridable(true);
context.addChild(defaultServlet);
context.addServletMapping("/", "default");
}
private void addJspServlet(Context context) {
Wrapper jspServlet = context.createWrapper();
jspServlet.setName("jsp");
jspServlet.setServletClass(getJspServletClassName());
jspServlet.addInitParameter("fork", "false");
jspServlet.setLoadOnStartup(3);
context.addChild(jspServlet);
context.addServletMapping("*.jsp", "jsp");
context.addServletMapping("*.jspx", "jsp");
}
spring boot的web應用如何訪問Resource
當spring boot應用被打包為一個fat jar時，是如何訪問到web resource的？
實際上是通過Archive提供的URL，然后通過Classloader提供的訪問classpath resource的能力來實現的。
index.html
比如需要配置一個index.html，這個可以直接放在代碼里的src/main/resources/static目錄下。
對于index.html歡迎頁，spring boot在初始化時，就會創建一個ViewController來處理：
//ResourceProperties
public class ResourceProperties implements ResourceLoaderAware {
private static final String[] SERVLET_RESOURCE_LOCATIONS = { "/" };
private static final String[] CLASSPATH_RESOURCE_LOCATIONS = {
"classpath:/META-INF/resources/", "classpath:/resources/",
"classpath:/static/", "classpath:/public/" };
//WebMvcAutoConfigurationAdapter
@Override
public void addViewControllers(ViewControllerRegistry registry) {
Resource page = this.resourceProperties.getWelcomePage();
if (page != null) {
logger.info("Adding welcome page: " + page);
registry.addViewController("/").setViewName("forward:index.html");
}
}
template
像頁面模板文件可以放在src/main/resources/template目錄下。但這個實際上是模板的實現類自己處理的。比如ThymeleafProperties類里的：
public static final String DEFAULT_PREFIX = "classpath:/templates/";
jsp
jsp頁面和template類似。實際上是通過spring mvc內置的JstlView來處理的。
可以通過配置spring.view.prefix來設定jsp頁面的目錄：
spring.view.prefix: /WEB-INF/jsp/
spring boot里統一的錯誤頁面的處理
對于錯誤頁面，Spring boot也是通過創建一個BasicErrorController來統一處理的。
@Controller
@RequestMapping("${server.error.path:${error.path:/error}}")
public class BasicErrorController extends AbstractErrorController
對應的View是一個簡單的HTML提醒：
@Configuration
@ConditionalOnProperty(prefix = "server.error.whitelabel", name = "enabled", matchIfMissing = true)
@Conditional(ErrorTemplateMissingCondition.class)
protected static class WhitelabelErrorViewConfiguration {
private final SpelView defaultErrorView = new SpelView(
"<html><body><h2>Whitelabel Error Page</h2>"
+ "<p>This application has no explicit mapping for /error, so you are seeing this as a fallback.</p>"
+ "<div id='created'>${timestamp}</div>"
+ "<div>There was an unexpected error (type=${error}, status=${status}).</div>"
+ "<div>${message}</div></body></html>");
@Bean(name = "error")
@ConditionalOnMissingBean(name = "error")
public View defaultErrorView() {
return this.defaultErrorView;
}
spring boot的這個做法很好，避免了傳統的web應用來出錯時，默認拋出異常，容易泄密。
spring boot應用的maven打包過程
先通過maven-shade-plugin生成一個包含依賴的jar，再通過spring-boot-maven-plugin插件把spring boot loader相關的類，還有MANIFEST.MF打包到jar里。
spring boot里有顏色日志的實現
當在shell里啟動spring boot應用時，會發現它的logger輸出是有顏色的，這個特性很有意思。
可以通過這個設置來關閉：
spring.output.ansi.enabled=false
原理是通過AnsiOutputApplicationListener ，這個來獲取這個配置，然后設置logback在輸出時，加了一個 ColorConverter，通過org.springframework.boot.ansi.AnsiOutput ，對一些字段進行了渲染。
一些代碼小技巧
實現ClassLoader時，支持JDK7并行加載
可以參考LaunchedURLClassLoader里的LockProvider
public class LaunchedURLClassLoader extends URLClassLoader {
private static LockProvider LOCK_PROVIDER = setupLockProvider();
private static LockProvider setupLockProvider() {
try {
ClassLoader.registerAsParallelCapable();
return new Java7LockProvider();
}
catch (NoSuchMethodError ex) {
return new LockProvider();
}
}
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
synchronized (LaunchedURLClassLoader.LOCK_PROVIDER.getLock(this, name)) {
Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);
if (loadedClass == null) {
Handler.setUseFastConnectionExceptions(true);
try {
loadedClass = doLoadClass(name);
}
finally {
Handler.setUseFastConnectionExceptions(false);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(loadedClass);
}
return loadedClass;
}
}
檢測jar包是否通過agent加載的
InputArgumentsJavaAgentDetector，原理是檢測jar的URL是否有”-javaagent:”的前綴。
private static final String JAVA_AGENT_PREFIX = "-javaagent:";
獲取進程的PID
ApplicationPid，可以獲取PID。
private String getPid() {
try {
String jvmName = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();
return jvmName.split("@")[0];
}
catch (Throwable ex) {
return null;
}
}
包裝Logger類
spring boot里自己包裝了一套logger，支持java, log4j, log4j2, logback，以后有需要自己包裝logger時，可以參考這個。
在org.springframework.boot.logging包下面。
獲取原始啟動的main函數
通過堆棧里獲取的方式，判斷main函數，找到原始啟動的main函數。
private Class<?> deduceMainApplicationClass() {
try {
StackTraceElement[] stackTrace = new RuntimeException().getStackTrace();
for (StackTraceElement stackTraceElement : stackTrace) {
if ("main".equals(stackTraceElement.getMethodName())) {
return Class.forName(stackTraceElement.getClassName());
}
}
}
catch (ClassNotFoundException ex) {
// Swallow and continue
}
return null;
}
spirng boot的一些缺點：
當spring boot應用以一個fat jar方式運行時，會遇到一些問題。以下是個人看法：
總結
spring boot通過擴展了jar協議，抽象出Archive概念，和配套的JarFile，JarUrlConnection，LaunchedURLClassLoader，從而實現了上層應用無感知的all in one的開發體驗。盡管Executable war并不是spring提出的概念，但spring boot讓它發揚光大。
spring boot是一個驚人的項目，可以說是spring的第二春，spring-cloud-config, spring-session, metrics, remote shell等都是深愛開發者喜愛的項目、特性。幾乎可以肯定設計者是有豐富的一線開發經驗，深知開發人員的痛點。
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