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Java源码（一）ThreadLocal、SpringBoot Jar 启动原理

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思维导图



一、ThreadLocal



1.场景


项目采用SSM+Shiro登录认证，改造需求如下：

后台管理员登录需要限制，同一个用户的不同IP需要通过过自定义验证后才能登录。



2.问题

  • 在完成需求后发现有管理员用户（这里就用A）通过验证登录了，那么后面登录的管理员用户（这里就用B、C等）可能会直接跳过验证就直接登录了。这肯定不符合要求！



3.问题解决



3.1 Debug

  • 因为是在原来shiro框架自定义过滤器AuthenticationFilter基础上添加了用户ID+IP验证，过滤器中涉及到生成token的createToken方法和认证成功后登录方法executeLogin，所以在该类设置了一个全局私有变量isWebLogin 来判断是否通过自定义验证。
  • 而isWebLogin所有线程（即所有用户）都可以访问并修改，所以导致上述问题。



3.2 解决

  • 那如何让isWebLogin变量的每个线程都拥有自己的专属线程本地变量，且每个线程的访问及修改都互不影响呢？
  • ThreadLocal变量不就正好可以解决这个问题吗？于是isWebLogin使用ThreadLocal定义就解决问题了，修改后的如下图（其中只保留部分使用到的关键代码）：

在这里插入图片描述


为什么ThreadLocal能够解决这个问题？且看下面ThreadLocal及其源码分析：



4.ThreadLocal

关于ThreadLocal的基础介绍，见我另一篇文章：


Java并发编程（一）常见知识点 — 21 ThreadLocal



5.ThreadLocal源码分析



5.1 get()源码


 public T get() {
     Thread t = Thread.currentThread();
     ThreadLocalMap map = getMap(t);
     if (map != null) {
         ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
         if (e != null) {
             @SuppressWarnings("unchecked")
             T result = (T)e.value;
             return result;
         }
     }
     return setInitialValue();
 }


逻辑如下：

  • 获取当前线程内部的ThreadLocalMap
  • map存在则获取当前ThreadLocal对应的value值
  • map不存在或者找不到value值，则调用setInitialValue，进行初始化



5.2 setInitialValue()源码

    private T setInitialValue() {
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }


逻辑如下：

  • 调用initialValue方法，获取初始化值【调用者通过覆盖该方法，设置自己的初始化值】
  • 获取当前线程内部的ThreadLocalMap
  • map存在则把当前ThreadLocal和value添加到map中
  • map不存在则创建一个ThreadLocalMap，保存到当前线程内部



5.3 set(T value)源码

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }


逻辑如下：

  • 获取当前线程内部的ThreadLocalMap
  • map存在则把当前ThreadLocal和value添加到map中
  • map不存在则创建一个ThreadLocalMap，保存到当前线程内部



5.4 remove()源码

     public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }


逻辑如下：

  • 获取当前线程内部的ThreadLocalMap，存在则从map中删除这个ThreadLocal对象。



6.ThreadLocal使用注意



6.1 内存泄露

  • 因为ThreadLocal 使用的是ThreadLocalMap
  • 而ThreadLocalMap中使用的 key 为ThreadLocal 的弱引用，而value是强引用。
  • ThreadLocal 没有被外部强引用的情况下，在垃圾回收的时候，key 会被清理掉，而 value 不会被清理掉。
  • ThreadLocalMap中就会出现 key 为null的 Entry。value 永远无法被 GC 回收，这个时候就可能会产生内存泄露。



6.2 如何避免

threadLocalMap在调用 set()、get()、remove() 方法的时候，会清理掉 key 为 null 的记录，但是还是有可能有编码导致内存泄露，所以我们还需要从以下方面去避免：

  • 使用完 ThreadLocal方法后最好手动调用remove()方法

  • 将ThreadLocal变量定义为private static



二、SpringBoot Jar 启动原理


本文目的：

jar 包是如何运行，并启动 Spring Boot 项目的呢？



思维导图

在这里插入图片描述



1.概述


SpringBoot jar包结构如图：

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/1a0afd8290a8489e8530a44209587872.png)

  1. BOOT-INF/lib 目录：我们 Spring Boot 项目中引入的依赖的 jar 包们。
  2. BOOT-INF/classes 目录：我们在 Spring Boot 项目中 Java 类所编译的 .class、配置文件等等。
  3. META-INF 目录：通过 MANIFEST.MF 文件提供 jar 包的元数据，声明了 jar 的启动类。
  4. org 目录：为 Spring Boot 提供的 spring-boot-loader 项目，它是 java -jar 启动 Spring Boot 项目的核心。



2.MANIFEST.MF


Properties 配置文件，每一行都是一个配置项目，如下图：

在这里插入图片描述

### 2.1 Main-Class 配置项

  • Java 规定的 jar 包的启动类，这里设置为 spring-boot-loader 项目的 JarLauncher 类，进行 Spring Boot 应用的启动。



2.2 Start-Class 配置项

  • Spring Boot 规定的主启动类，这里设置为我们定义的 Application 类。



3.JarLauncher

代码如下图：

在这里插入图片描述

  1. 通过 #main(String[] args) 方法，创建 JarLauncher 对象，并调用其 #launch(String[] args) 方法进行启动
  2. 整体的启动逻辑，其实是由父类 Launcher 所提供，如下图所示：

在这里插入图片描述

  1. 父类 Launcher 的 #launch(String[] args) 方法，代码如下： 
// Launcher.java

protected void launch(String[] args) throws Exception {
	// 3.1  注册 URL 协议的处理器
	JarFile.registerUrlProtocolHandler();
	// 3.2  创建类加载器
	ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchives());
	// 3.3  执行启动类的 main 方法
	launch(args, getMainClass(), classLoader);
}

  • 3.1 调用 JarFile 的 #registerUrlProtocolHandler() 方法，注册 Spring Boot 自定义的 URLStreamHandler 实现类，加载读取 jar 包。

  • 3.2 调用自身的 #createClassLoader(List archives) 方法，创建自定义的 ClassLoader 实现类，加载 jar 包中的类。

  • 3.3 执行我们声明的 Spring Boot 启动类，启动Spring Boot 应用。



3.1 registerUrlProtocolHandler


代码如下：
 

// JarFile.java

private static final String PROTOCOL_HANDLER = "java.protocol.handler.pkgs";

private static final String HANDLERS_PACKAGE = "org.springframework.boot.loader";

/**
 * Register a {@literal 'java.protocol.handler.pkgs'} property so that a
 * {@link URLStreamHandler} will be located to deal with jar URLs.
 */
public static void registerUrlProtocolHandler() {
    // 获得 URLStreamHandler 的路径
	String handlers = System.getProperty(PROTOCOL_HANDLER, "");
	// 将 Spring Boot 自定义的 HANDLERS_PACKAGE(org.springframework.boot.loader) 补充上去
	System.setProperty(PROTOCOL_HANDLER, ("".equals(handlers) ? HANDLERS_PACKAGE
			: handlers + "|" + HANDLERS_PACKAGE));
	// 重置已缓存的 URLStreamHandler 处理器们
	resetCachedUrlHandlers();
}

/**
 * Reset any cached handlers just in case a jar protocol has already been used.
 * We reset the handler by trying to set a null {@link URLStreamHandlerFactory} which
 * should have no effect other than clearing the handlers cache.
 *
 * 重置 URL 中的 URLStreamHandler 的缓存，防止 `jar://` 协议对应的 URLStreamHandler 已经创建
 * 我们通过设置 URLStreamHandlerFactory 为 null 的方式，清空 URL 中的该缓存。
 */
private static void resetCachedUrlHandlers() {
	try {
		URL.setURLStreamHandlerFactory(null);
	} catch (Error ex) {
		// Ignore
	}
}
  • 通过将 org.springframework.boot.loader 包设置到 “java.protocol.handler.pkgs” 环境变量，从而使用到自定义的 URLStreamHandler 实现类 Handler，处理 jar: 协议的 URL。



3.2 createClassLoader



3.2.1 getClassPathArchives


代码如下：
 

// ExecutableArchiveLauncher.java

private final Archive archive;

@Override
protected List<Archive> getClassPathArchives() throws Exception {
	// <1> 获得所有 Archive
	List<Archive> archives = new ArrayList<>(
			this.archive.getNestedArchives(this::isNestedArchive));
	// <2> 后续处理
	postProcessClassPathArchives(archives);
	return archives;
}

protected abstract boolean isNestedArchive(Archive.Entry entry);

protected void postProcessClassPathArchives(List<Archive> archives) throws Exception {
}
  1. <1> 处，this::isNestedArchive 代码段，创建了 EntryFilter 匿名实现类，用于过滤 jar 包不需要的目录。 
// Archive.java

/**
 * Represents a single entry in the archive.
 */
interface Entry {

	/**
	 * Returns {@code true} if the entry represents a directory.
	 * @return if the entry is a directory
	 */
	boolean isDirectory();

	/**
	 * Returns the name of the entry.
	 * @return the name of the entry
	 */
	String getName();

}

/**
 * Strategy interface to filter {@link Entry Entries}.
 */
interface EntryFilter {

	/**
	 * Apply the jar entry filter.
	 * @param entry the entry to filter
	 * @return {@code true} if the filter matches
	 */
	boolean matches(Entry entry);

}
  1. 上面的isNestedArchive(Archive.Entry entry) 方法，它是由 JarLauncher 所实现，代码如下： 
// JarLauncher.java

static final String BOOT_INF_CLASSES = "BOOT-INF/classes/";

static final String BOOT_INF_LIB = "BOOT-INF/lib/";

@Override
protected boolean isNestedArchive(Archive.Entry entry) {
    // 如果是目录的情况，只要 BOOT-INF/classes/ 目录
	if (entry.isDirectory()) {
		return entry.getName().equals(BOOT_INF_CLASSES);
	}
	// 如果是文件的情况，只要 BOOT-INF/lib/ 目录下的 `jar` 包
	return entry.getName().startsWith(BOOT_INF_LIB);
}
  • 目的就是过滤获得，BOOT-INF/classes/ 目录下的类，以及 BOOT-INF/lib/ 的内嵌 jar 包。
  1. <1> 处，this.archive.getNestedArchives 代码段，调用 Archive 的 #getNestedArchives(EntryFilter filter) 方法，获得 archive 内嵌的 Archive 集合。代码如下： 
// Archive.java

/**
 * Returns nested {@link Archive}s for entries that match the specified filter.
 * @param filter the filter used to limit entries
 * @return nested archives
 * @throws IOException if nested archives cannot be read
 */
List<Archive> getNestedArchives(EntryFilter filter) throws IOException;
  • BOOT-INF/classes/ 目录被归类为一个 Archive 对象，而 BOOT-INF/lib/ 目录下的每个内嵌 jar 包都对应一个 Archive 对象。

在这里插入图片描述



3.2.2 createClassLoader

  1. createClassLoader(List archives) 方法，它是由 ExecutableArchiveLauncher 所实现，代码如下： 
// ExecutableArchiveLauncher.java

protected ClassLoader createClassLoader(List<Archive> archives) throws Exception {
	// 获得所有 Archive 的 URL 地址
    List<URL> urls = new ArrayList<>(archives.size());
	for (Archive archive : archives) {
		urls.add(archive.getUrl());
	}
	// 创建加载这些 URL 的 ClassLoader
	return createClassLoader(urls.toArray(new URL[0]));
}

protected ClassLoader createClassLoader(URL[] urls) throws Exception {
	return new LaunchedURLClassLoader(urls, getClass().getClassLoader());
}
  • 基于获得的 Archive 数组，创建自定义 ClassLoader 实现类 LaunchedURLClassLoader，通过它来加载 BOOT-INF/classes 目录下的类，以及 BOOT-INF/lib 目录下的 jar 包中的类

  1. LaunchedURLClassLoader


通过 LaunchedURLClassLoader 加载 jar 包中内嵌的类

  • LaunchedURLClassLoader 是 spring-boot-loader 项目自定义的类加载器，实现对 jar 包中 META-INF/classes 目录下的类和 META-INF/lib 内嵌的 jar 包中的类的加载。

  • 它的创建代码如下： 

// LaunchedURLClassLoader.java

public class LaunchedURLClassLoader extends URLClassLoader {

	public LaunchedURLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
		super(urls, parent);
	}
	
}
  • 它的实现代码如下：

在这里插入图片描述

  • 在<1> 处，在通过父类的 #getPackage(String name) 方法获取不到指定类所在的包时，会通过遍历 urls 数组，从 jar 包中加载类所在的包。当找到包时，会调用 #definePackage(String name, Manifest man, URL url) 方法，设置包所在的 Archive 对应的 url。

  • 在<2> 处，调用父类的 #loadClass(String name, boolean resolve) 方法，加载对应的类。



3.3 launch



3.3.1 getMainClass


代码如下：
 

// ExecutableArchiveLauncher.java

@Override
protected String getMainClass() throws Exception {
    // 获得启动的类的全名
	Manifest manifest = this.archive.getManifest();
	String mainClass = null;
	if (manifest != null) {
		mainClass = manifest.getMainAttributes().getValue("Start-Class");
	}
	if (mainClass == null) {
		throw new IllegalStateException(
				"No 'Start-Class' manifest entry specified in " + this);
	}
	return mainClass;
}
  • 从 jar 包的 MANIFEST.MF 文件的 Start-Class 配置项，，获得我们设置的 Spring Boot 的主启动类。



3.3.2 createMainMethodRunner

  1. launch() 方法负责最终的 Spring Boot 应用真正的启动。

    它是由 Launcher 所实现，代码如下： 
protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader)
		throws Exception {
    // <1> 设置 LaunchedURLClassLoader 作为类加载器
	Thread.currentThread().setContextClassLoader(classLoader);
	// <2> 创建 MainMethodRunner 对象，并执行 run 方法，启动 Spring Boot 应用
	createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader).run();
}

  • <1> 处：设置「3.2.2 createClassLoader」创建的 LaunchedURLClassLoader 作为类加载器，从而保证能够从 jar 加载到相应的类。

  • <2> 处，调用 #createMainMethodRunner(String mainClass, String[] args, ClassLoader classLoader) 方法，创建 MainMethodRunner 对象，并执行其 #run() 方法来启动 Spring Boot 应用。

  1. MainMethodRunner 类，负责 Spring Boot 应用的启动。代码如下： 
public class MainMethodRunner {

	private final String mainClassName;

	private final String[] args;

	/**
	 * Create a new {@link MainMethodRunner} instance.
	 * @param mainClass the main class
	 * @param args incoming arguments
	 */
	public MainMethodRunner(String mainClass, String[] args) {
		this.mainClassName = mainClass;
		this.args = (args != null) ? args.clone() : null;
	}

	public void run() throws Exception {
	    // <1> 加载 Spring Boot
		Class<?> mainClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(this.mainClassName);
		// <2> 反射调用 main 方法
		Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);
		mainMethod.invoke(null, new Object[] { this.args });
	}

}
  • <1> 处：通过 LaunchedURLClassLoader 类加载器，加载到我们设置的 Spring Boot 的主启动类。
  • <2> 处：通过反射调用主启动类的 #main(String[] args) 方法，启动 Spring Boot 应用。这里也告诉了我们答案，为什么我们通过编写一个带有 #main(String[] args) 方法的类，就能够启动 Spring Boot 应用。



总结图

在这里插入图片描述




下一篇跳转—Java源码（二）Spring Application Context


本篇文章主要参考链接如下：


参考链接-芋道源码


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