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摘要:

眾所周知java.exe是java class文件的執行程序，但實際上java.exe程序只是一個執行的外殼，它會裝載jvm.dll（windows下，以下皆以windows平臺為例， linux下和solaris下其實類似，為：libjvm.so），這個動態連接庫才是java 虛擬機的實際操作處理所在。本文探究java.exe程序是如何查找和裝載jvm.dll 動態庫，并調用它進行class文件執行處理的.

簡述
眾所周知java.exe是java class文件的執行程序，但實際上java.exe程序只是
一個執行的外殼，它會裝載jvm.dll（windows下，以下皆以windows平臺為例，
linux下和solaris下其實類似，為：libjvm.so），這個動態連接庫才是java
虛擬機的實際操作處理所在。本文探究java.exe程序是如何查找和裝載jvm.dll
動態庫，并調用它進行class文件執行處理的。

源代碼
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，主要分析的源代碼為：
j2se\src\share\bin\java.c
j2se\src\windows\bin\java_md.c

java.c是什么東西
‘java程序’源代碼
所謂‘java程序’，包括jdk中的java.exe\javac.exe\javadoc.exe，java.c源
代碼中通過JAVA_ARGS宏來控制生成的代碼，如果該宏沒定義則編譯文件控制生
成java.exe否則編譯文件控制生成其他的‘java程序’。
比如：
j2se\make\java\javac\Makefile（這是javac編譯文件）中：
$(CD) ../../sun/javac ; $(MAKE) $@ RELEASE=$(RELEASE) FULL_VERSION=$(FULL_VERSION)
j2se\make\sun\javac\javac\Makefile（由上面Makefile文件調用）中：
JAVA_ARGS = "{ \"-J-ms8m\", \"com.sun.tools.javac.Main\" }"
則由同一份java.c代碼生成的javac.exe程序就會直接調用java類方法：
com.sun.tools.javac.Main，這樣使其執行起來就像是直接運行的一個exe文件，
而未定義JAVA_ARGS的java.exe程序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針的處理。
然后調用函數：CreateExecutionEnvironment，該函數主要查找java運行環境的
目錄，和jvm.dll這個虛擬機核心動態連接庫文件路徑所在。根據操作系統不同，
該函數有不同實現版本，但大體處理邏輯相同，我們看看windows平臺該函數的處
理（j2se\src\windows\bin\java_md.c）。

CreateExecutionEnvironment函數主要分為三步處理：
a、查找jre路徑。
b、裝載jvm.cfg中指定的虛擬機動態連接庫（jvm.dll）參數。
c、取jvm.dll文件路徑。

實現：
a、查找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程序的絕對路徑，以我的jdk安裝路徑為例，
為：“D:\java\j2sdk1.4.2_04\bin\java.exe”，然后去掉文件名取絕對路徑為：
“D:\java\j2sdk1.4.2_04\bin”，之后會在去掉最后一級目錄，現在絕對路徑為：
“D:\java\j2sdk1.4.2_04”。
然后GetJREPath函數繼續判斷剛剛取的路徑+\bin\java.dll組合成的這個java.dll
文件是否存在，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文件是否存在，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
冊表中去查找（參見函數GetPublicJREHome）。

函數：GetPublicJREHome先查找
HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\Java Runtime Environment\CurrentVersion
鍵值“當前JRE版本號”，判斷“當前JRE版本號”是否為1.4做為版本號，如果是則
取HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\Java Runtime Environment\“當前JRE版本號”
\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虛擬機動態連接庫配置文件是通過java.c中函數:ReadKnownVMs實現
的。
該函數首先組合jvm.cfg文件的絕對路徑，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
臺只有兩種情況：WIN64的‘ia64’，其他情況都為‘i386’。我的為i386所以jvm.cfg
文件絕對路徑為：“D:\java\j2sdk1.4.2_04\jre\lib\i386\jvm.cfg”。文件內容如
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文件。而java正是通過jvm.cfg配置文件來管理這些不同版本的jvm.dll的。）

ReadKnownVMs函數會將該文件中的配置內容讀入到一個JVM配置結構的全局變量中，該函數首先跳過注釋（以‘#’開始的行），然后讀取以‘-’開始的行指定的jvm參數，每一行為一個jvm信息，第一部分為jvm虛擬機名稱，第二部分為配置參數，比如行：
“-client KNOWN”則“-client”為虛擬機名稱，而“KNOWN”為配置類型參數，“KNOWN”
表示該虛擬機的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
信息。

在運行java程序時指定使用那個虛擬機的判斷是由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，然后從ReadKnownVMs函數讀取的jvm.cfg數據結構中去查找，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文件中的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’后面的jvm名稱，然后從已知的jvm配置參數中查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=”后面的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會取配置文件中第一個配置中的jvm名稱，去掉名稱前面的‘-’返回該值。CheckJvmType函數的這個返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程序時使用“java -J-client test”則ReadKnownVMs會讀取參數“-client”然后查找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程序時使用如下參數：
“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配置文件中第一個存在的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動態連接庫處理test這個class的，見下面GetJVMPath函數。

c、取jvm.dll文件路徑是通過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的類型字符串。GetJVMPath函數判斷CheckJvmType
返回的jvm類型字符串中是否包含了‘\’或‘/’如果包含則以該jvm類型字符串+\jvm.dll作為JVM的全路徑，否則以JRE路徑+\bin+\jvm類型字符串+\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類型字符串+\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類型字符串+\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動態連接庫“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：
打開cmd控制臺：

設置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，至于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動態連接庫。
b、初始化jvm.dll并掛接到JNIEnv（JNI調用接口）實例。
c、調用JNIEnv實例裝載并處理class類。

實現：
a、裝載jvm.dll動態連接庫是由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結構的局部變量，InvocationFunctions
結構有兩個函數指針：

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動態連接庫，
之后將jvm.dll中的導出函數JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs
掛接到InvocationFunctions變量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函數
指針變量上。jvm.dll的裝載工作宣告完成。

b、初始化jvm.dll并掛接到JNIEnv（JNI調用接口）實例是通過java.c中函數：
InitializeJVM完成的。
main方法中首先定義了一個JNIEnv結構的指針，JNIEnv結構中定義了許多與裝載class
類文件、查找類方法、調用類方法有關的函數指針變量。InitializeJVM會調用上面
以掛接jvm.dll中JNI_CreateJavaVM的InvocationFunctions結構變量的CreateJavaVM方法，即調用jvm.dll中函數JNI_CreateJavaVM，該函數會將JNIEnv結構的實例返回到main中的JNIEnv結構的指針上。這樣main中的JNIEnv指針獲取了JNIEnv實例后，就可以開始對class文件進行處理了。

c、調用JNIEnv實例裝載并處理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實例構造并調用java類：java.util.jar.JarFile中方法getManifest()并從返回的Manifest對象中取getAttributes("Main-Class")的值，即jar包中文件：
META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主類名作為運行的主類。
之后main函數會調用java.c中LoadClass方法裝載該主類（使用JNIEnv實例的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。

然后main函數調用JNIEnv實例的GetStaticMethodID方法查找裝載的class主類中
“public static void main(String[] args)”方法，并判斷該方法是否為public方法，然后調用JNIEnv實例的CallStaticVoidMethod方法調用該java類的main方法。

總結
由上面的代碼分析可以看出幾個問題。
a、為什么JDK和JRE不一定通過安裝，直接拷到硬盤上，設置path環境變量就可以執行。因為java運行獲取jre路徑的首選方法正是直接通過獲取java.exe絕對路徑來判斷的，如果通過修改注冊表選項而不設置path環境變量也可以找到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環境變量
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.

導入如下注冊表文件（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文件或直接指定jvm.dll路徑來裝載執行java程序的。
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的導出函數，
java.exe正是通過調用該函數獲得JNIEnv調用接口來裝載執行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函數位于：hotspot\src\share\vm\prims\jni.cpp文件中。

[關于作者]
又志
潭州王姓，愛讀聊齋，不求甚解，待業于家，百無聊賴乃取源碼以讀之，會有所得，
則拾而記之，游手好閑，為同儕所不齒，性尤不改，獨好破解，諳習此道，今拾掇
篋中，破解軟件十之又九也，中有visual slickedit10，與時所行破解版不同，行
tag files之操作而無礙，時時自得，或曰國人非盡為阿斗也，然掣肘于法律所制，
不欲示人，或有百覓而不得者，可于某之郵箱wall_john@sohu.com得之，或有愛讀
源碼而無偕行者，可于某之QQ：5672618覓之。

發表于 2006-04-29 14:13 沉思的狗閱讀(397) 評論(0) 編輯收藏

java源代碼分析----jvm.dll裝載過程

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