Springboot - Fat Jar示例详解

Springboot  Fat Jar

导读

Spring Boot应用可以使用spring-boot-maven-plugin快速打包，构建一个可执行jar。Spring Boot内嵌容器，通过java -jar命令便可以直接启动应用。

虽然是一个简单的启动命令，背后却藏着很多知识。今天带着大家探索FAT JAR启动的背后原理。本文主要包含以下几个部分：

• JAR 是什么。首先需要了解jar是什么，才知道java -jar做了什么事情。
• FatJar 有什么不同。 Spring Boot提供的可执行jar与普通的jar有什么区别。
• 启动时的类加载原理。 启动过程中类加载器做了什么？Spring Boot又如何通过自定义类加载器解决内嵌包的加载问题。
• 启动的整个流程。最后整合前面三部分的内容，解析源码看如何完成启动。

JAR 是什么

JAR简介

JAR文件（Java归档，英语: Java ARchive）是一种软件包文件格式，通常用于将大量的Java类文件、相关的元数据和资源（文本、图片等）文件聚合到一个文件，以便分发Java平台应用软件或库。简单点理解其实就是一个压缩包，既然是压缩包那么为了提取JAR文件的内容，可以使用任何标准的unzip解压缩软件提取内容。或者使用Java虚拟机自带命令jar -xf foo.jar来解压相应的jar文件。

JAR 可以简单分为两类：

• 非可执行JAR。打包时，不用指定main-class，也不可运行。普通jar包可以供其它项目进行依赖。
• 可执行JAR。打jar包时，指定了main-class类，可以通过java -jar xxx.jar命令，执行main-class的main方法，运行jar包。可运行jar包不可被其他项目进行依赖。

JAR结构

包结构

不管是非可行JAR还是可执行JAR解压后都包含两部分：META-INF目录(元数据)和package目录(编译后的class)。这种普通的jar不包含第三方依赖包，只包含应用自身的配置文件、class 等。

.
├── META-INF
│   ├── MANIFEST.MF  #定义
└── org  # 包路径(存放编译后的class)
    └── springframework

描述文件MANIFEST.MF

JAR包的配置文件是META-INF文件夹下的MANIFEST.MF文件。主要配置信息如下：

• Manifest-Version： 用来定义manifest文件的版本，例如：Manifest-Version: 1.0
• Created-By： 声明该文件的生成者，一般该属性是由jar命令行工具生成的，例如：Created-By: Apache Ant 1.5.1
• Signature-Version： 定义jar文件的签名版本
• Class-Path： 应用程序或者类装载器使用该值来构建内部的类搜索路径，可执行jar包里需要设置这个。

上面是普通jar包的属性，可运行jar包的.MF文件中，还会有mian-class或start-class等属性。如果依赖了外部jar包，还会在MF文件中配置lib路径等信息。更多信息参见：maven为MANIFEST.MF文件添加内容的方法

至于可运行jar包和普通jar包的目录结构，没有什么特别固定的模式，总之，无论是什么结构，在.MF文件中，配置好jar包的信息，即可正常使用jar包了。

FatJar有什么不同

什么是FatJar？

普通的jar只包含当前 jar的信息，不含有第三方 jar。当内部依赖第三方jar时，直接运行则会报错，这时候需要将第三方jar内嵌到可执行jar里。将一个jar及其依赖的三方jar全部打到一个包中，这个包即为 FatJar。

SpringBoot FatJar解决方案

Spring Boot为了解决内嵌jar问题，提供了一套FatJar解决方案，分别定义了jar目录结构和 MANIFEST.MF。在编译生成可执行 jar 的基础上，使用spring-boot-maven-plugin按Spring Boot 的可执行包标准repackage，得到可执行的Spring Boot jar。根据可执行jar类型，分为两种：可执行Jar和可执行war。

spring-boot-maven-plugin打包过程

因为在新建的空的 SpringBoot 工程中并没有任何地方显示的引入或者编写相关的类。实际上，对于每个新建的 SpringBoot 工程，可以在其 pom.xml 文件中看到如下插件：

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

这个是SpringBoot官方提供的用于打包FatJar的插件，org.springframework.boot.loader下的类其实就是通过这个插件打进去的；

下面是此插件将 loader 相关类打入 FatJar 的一个执行流程：

org.springframework.boot.maven#execute->
org.springframework.boot.maven#repackage -> org.springframework.boot.loader.tools.Repackager#repackage->
org.springframework.boot.loader.tools.Repackager#writeLoaderClasses->
org.springframework.boot.loader.tools.JarWriter#writeLoaderClasses

最终的执行方法就是下面这个方法，通过注释可以看出，该方法的作用就是将 spring-boot-loader 的classes 写入到 FatJar 中。

/**
 * Write the required spring-boot-loader classes to the JAR.
 * @throws IOException if the classes cannot be written
 */
@Override
public void writeLoaderClasses() throws IOException {
	writeLoaderClasses(NESTED_LOADER_JAR);
}

打包结果

Spring Boot项目被编译以后，在targert目录下存在两个jar文件：一个是xxx.jar和xxx.jar.original。

• 其中xxx.jar.original是maven编译后的原始jar文件，即标准的java jar。该文件仅包含应用本地资源。 如果单纯使用这个jar，无法正常运行，因为缺少依赖的第三方资源。
• 因此spring-boot-maven-plugin插件对这个xxx.jar.original再做一层加工，引入第三方依赖的jar包等资源，将其 "repackage" 为xxx.jar。可执行Jar的文件结构如下图所示：

.
├── BOOT-INF
│   ├── classes
│   │   ├── application.properties  # 用户-配置文件
│   │   └── com
│   │       └── glmapper
│   │           └── bridge
│   │               └── boot
│   │                   └── BootStrap.class  # 用户-启动类
│   └── lib
│       ├── jakarta.annotation-api-1.3.5.jar
│       ├── jul-to-slf4j-1.7.28.jar
│       ├── log4j-xxx.jar # 表示 log4j 相关的依赖简写
├── META-INF
│   ├── MANIFEST.MF
│   └── maven
│       └── com.glmapper.bridge.boot
│           └── guides-for-jarlaunch
│               ├── pom.properties
│               └── pom.xml
└── org
    └── springframework
        └── boot
            └── loader
                ├── ExecutableArchiveLauncher.class
                ├── JarLauncher.class
                ├── LaunchedURLClassLoader$UseFastConnectionExceptionsEnumeration.class
                ├── LaunchedURLClassLoader.class
                ├── Launcher.class
                ├── MainMethodRunner.class
                ├── PropertiesLauncher$1.class
                ├── PropertiesLauncher$ArchiveEntryFilter.class
                ├── PropertiesLauncher$PrefixMatchingArchiveFilter.class
                ├── PropertiesLauncher.class
                ├── WarLauncher.class
                ├── archive
                │   ├── # 省略
                ├── data
                │   ├── # 省略
                ├── jar
                │   ├── # 省略
                └── util
                    └── SystemPropertyUtils.class

• META-INF: 存放元数据。MANIFEST.MF 是 jar 规范，Spring Boot 为了便于加载第三方 jar 对内容做了修改；
• org: 存放Spring Boot 相关类，比如启动时所需的 Launcher 等；
• BOOT-INF/class： 存放应用编译后的 class 文件；
• BOOT-INF/lib： 存放应用依赖的 JAR 包。

Spring Boot的MANIFEST.MF和普通jar有些不同：

Spring-Boot-Version: 2.1.3.RELEASE
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher
Start-Class: com.rock.springbootlearn.SpringbootLearnApplication
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/
Build-Jdk: 1.8.0_131

Main-Class： 是java -jar启动引导类，但这里不是项目中的类，而是Spring Boot内部的JarLauncher。
Start-Class： 这个才是正在要执行的应用内部主类

所以java -jar启动的时候，加载运行的是JarLauncher。Spring Boot内部如何通过JarLauncher 加载Start-Class 执行呢？为了更清楚加载流程，我们先介绍下java -jar是如何完成类加载逻辑的。

启动时的类加载原理

这里简单说下java -jar启动时是如何完成记载类加载的。Java 采用了双亲委派机制，Java语言系统自带有三个类加载器：

• Bootstrap CLassloder： 最顶层的加载类，主要加载核心类库
• Extention ClassLoader： 扩展的类加载器，加载目录%JRE_HOME%/lib/ext目录下的jar包和class文件。 还可以加载-D java.ext.dirs选项指定的目录。
• AppClassLoader: 是应用加载器。

默认情况下通过java -classpath，java -cp，java -jar使用的类加载器都是AppClassLoader。 普通可执行jar通过java -jar启动后，使用AppClassLoader加载Main-class类。 如果第三方jar不在AppClassLoader里，会导致启动时候会报ClassNotFoundException。

例如在Spring Boot可执行jar的解压目录下，执行应用的主函数，就直接报该错误：

Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: org/springframework/boot/SpringApplication
        at com.glmapper.bridge.boot.BootStrap.main(BootStrap.java:13)
Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: org.springframework.boot.SpringApplication
        at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:381)
        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
        at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:338)
        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
        ... 1 more

从异常堆栈来看，是因为找不到SpringApplication这个类；这里其实还是比较好理解的，BootStrap类中引入了SpringApplication，但是这个类是在BOOT-INF/lib下的，而java指令在启动时未指明classpath，依赖的第三方jar无法被加载。

Spring Boot JarLauncher启动时，会将所有依赖的内嵌 jar (BOOT-INF/lib 目录下) 和class（BOOT-INF/classes 目录）都加入到自定义的类加载器LaunchedURLClassLoader中，并用这个ClassLoder去加载MANIFEST.MF配置Start-Class，则不会出现类找不到的错误。

LaunchedURLClassLoader是URLClassLoader的子类， URLClassLoader会通过URL[] 来搜索类所在的位置。Spring Boot 则将所需要的内嵌文档组装成URL[]，最终构建LaunchedURLClassLoader类。

启动的整个流程

有了以上知识的铺垫，我们看下整个 FatJar 启动的过程会是怎样。为了以便查看源码和远程调试，可以在 pom.xml 引入下面的配置：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-loader</artifactId>
</dependency>

简单概括起来可以分为几步：

• java -jar 启动，AppClassLoader 则会加载 MANIFEST.MF 配置的Main-Class, JarLauncher。
• JarLauncher启动时，注册URL关联协议。
• 获取所有内嵌的存档(内嵌jar和class)
• 根据存档的URL[]构建类加载器。
• 然后用这个类加载器加载Start-Class。 保证这些类都在同一个ClassLoader中。

参考资料

聊一聊 SpringBoot 中 FatJar 启动原理
Spring Boot 解析（二）：FatJar 启动原理
Springboot - Fat Jar

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