探秘Java：从main函数启动开始

“

人生苦短，不如养狗

”

一、前言

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：

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello, world!");
    }

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 。

二、万物始于main函数

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 System.out.println() ，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。

1. 为什么是main函数

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 int JNICALL JavaMain(void * args); ，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：

    /* 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);

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 MainClass 即初始类去获取该类中的 main 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 String 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。

2. main函数如何执行

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：

java {类名}.java

在上面这行命令中出现的 java 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 src/share/tools/launcher/java.c 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 javac 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：

mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
                                       "([Ljava/lang/String;)V");

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。

3. Java程序的执行方式

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。

    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 fromn%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);
    }