在傳統(tǒng)的 Java 應(yīng)用程序開發(fā)和部署場景中，開發(fā)人員通常需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的步驟，才能成功將應(yīng)用程序部署到生產(chǎn)環(huán)境中。

例如，對于基于 Servlet 規(guī)范的 Java Web 應(yīng)用程序，在開發(fā)完成后，通常會將其打包為 WAR 文件，然后部署到像 Apache Tomcat 或 Jetty 這樣的 Web 容器中。

在此過程中，開發(fā)人員需要管理應(yīng)用程序本身的已編譯工件，處理各種第三方依賴項的版本和加載順序，并適當配置服務(wù)器，以確保應(yīng)用程序正常運行。

隨著 Spring Boot 的出現(xiàn)，它通過開箱即用和約定優(yōu)于配置的理念，徹底改變了 Java 應(yīng)用程序開發(fā)體驗。

Spring Boot 的一個標志性功能是，應(yīng)用程序可以被打包為直接可執(zhí)行的 JAR 文件，而無需外部容器。

當我們提到“Spring Boot JAR 可以直接運行”時，會引發(fā)一個問題：是什么機制使得一個簡單的命令行操作就能啟動一個完整的 Web 服務(wù)或任何類型的 Java 應(yīng)用程序？

本文將深入探討 Spring Boot 的打包過程及其運行原理，揭示其 JAR 文件如何巧妙地集成依賴項、嵌入 Web 容器并實現(xiàn)自動配置。

這使開發(fā)人員能夠快速將應(yīng)用程序部署到任何支持 Java 的環(huán)境中。

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Spring Boot JAR 包的基本概念

Fat JAR（也稱為 Uber JAR，詼諧地被稱為“胖 JAR”）是一種特殊類型的 Java 存檔（JAR）文件，它將應(yīng)用程序所需的所有依賴項與應(yīng)用程序自身的類文件結(jié)合到一個 JAR 文件中。

在 Spring Boot 的上下文中，F(xiàn)at JAR 用于構(gòu)建一個完全自包含且獨立可執(zhí)行的應(yīng)用程序包。

這種 JAR 文件不僅包括項目的主代碼，還包括所有必要的第三方庫、資源文件以及運行時所需的所有其他組件。

Fat JAR 的核心特性是“自包含”，這意味著部署應(yīng)用程序只需分發(fā)這一個文件，而無需單獨處理眾多依賴庫。

這大大簡化了應(yīng)用程序的快速部署和遷移，尤其適合云部署或沒有網(wǎng)絡(luò)訪問環(huán)境的安裝。

相較之下，普通的 JAR 文件通常只包含應(yīng)用程序的一個模塊或部分，主要用于封裝和組織 Java 類及相關(guān)資源。

在 Java 生態(tài)系統(tǒng)中，普通的 JAR 文件可能只是一個庫或一組相關(guān)功能的集合，但不會包含其他依賴的 JAR 文件，運行時需要在類路徑中提供其他相關(guān)庫。

與此相比，F(xiàn)at JAR 通過將所有依賴項都包含在自身內(nèi)部，解決了依賴管理問題，避免了因類路徑設(shè)置不當導(dǎo)致的“缺少類”或“類未找到”問題。

在 Spring Boot 項目中，可以使用 Maven 或 Gradle 插件輕松構(gòu)建 Fat JAR，使最終的 JAR 文件成為一個真正的“一站式”解決方案，只需通過 java -jar 命令即可啟動整個應(yīng)用程序，而無需預(yù)先配置復(fù)雜的類路徑環(huán)境。

Spring Boot 應(yīng)用程序的打包機制

Spring Boot 應(yīng)用程序的打包機制充分利用了 Maven 或 Gradle 等構(gòu)建工具的強大功能，旨在簡化傳統(tǒng)的 Java 應(yīng)用程序構(gòu)建和部署過程。

這種機制的核心在于創(chuàng)建一個可執(zhí)行的 Fat JAR，使開發(fā)人員能夠輕松地將整個 Spring Boot 應(yīng)用程序及其依賴項打包成一個文件，從而實現(xiàn)一鍵啟動和便捷部署。

以 Maven 打包為例：

對于使用 Maven 構(gòu)建的 Spring Boot 應(yīng)用程序，spring-boot-maven-plugin 是負責處理 Fat JAR 構(gòu)建的關(guān)鍵插件。在 pom.xml 文件中，通常會看到以下配置：

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            <version>${spring-boot.version}</version>
            <configuration>
                <mainClass>${start-class}</mainClass>
            </configuration>
            <executions>
                <execution>
                    <goals>
                        <goal>repackage</goal>
                    </goals>
                </execution>
            </executions>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

通過使用 mvn package 命令，Maven 將首先按照標準流程構(gòu)建項目。

隨后，spring-boot-maven-plugin 將執(zhí)行 repackage 目標，該目標會將生成的標準 JAR 文件重新打包為一個包含所有依賴項和適當啟動信息的 Fat JAR。

生成的 JAR 隨后可以直接通過 java -jar 命令啟動。

Spring Boot 應(yīng)用程序的打包機制確保生成的包不僅包括項目本身的類，還包括所有必要的運行時依賴項，以及特定的元數(shù)據(jù)（如 MANIFEST.MF 文件中的主類信息）。

這一功能大大簡化了部署過程，并有助于提高應(yīng)用程序的可移植性和可維護性。Fat JAR 的內(nèi)容包括：

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META-INF/：包含 MANIFEST.MF 文件和其他元數(shù)據(jù)，其中 Main-Class 屬性指向 Spring Boot 啟動類。

BOOT-INF/classes/：存儲項目的類文件和資源文件。

BOOT-INF/lib/：保存所有依賴的 JAR 文件，包括 Spring Boot 啟動依賴項和其他第三方庫。

（如果項目中有靜態(tài)資源文件，在 BOOT-INF 下還會有相應(yīng)的目錄，如 static、templates等。）

Spring Boot 啟動器與加載機制

Spring Boot 應(yīng)用程序 JAR 能夠直接運行，主要依賴于其啟動器和加載機制，這通過 MANIFEST.MF 文件和內(nèi)部的類加載邏輯來實現(xiàn)。

什么是 MANIFEST.MF 文件？

MANIFEST.MF 是 JAR 文件中的標準元數(shù)據(jù)文件，它包含了 JAR 包的基本信息和運行指令。

在 Spring Boot 應(yīng)用程序的 JAR 中，MANIFEST.MF 文件尤為重要，因為它設(shè)置了 Main-Class屬性，指明了用于啟動整個應(yīng)用程序的類。

這個類通常是 org.springframework.boot.loader.JarLauncher 或者 Spring Boot 提供的其他啟動類。

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Main-Class 屬性指向的是 JarLauncher 類，這個類是 Spring Boot 自定義類加載系統(tǒng)的一部分。

JarLauncher 繼承了 org.springframework.boot.loader.Launcher，專門用于啟動以 Fat JAR 打包的 Spring Boot 應(yīng)用程序。

JarLauncher 負責創(chuàng)建類加載器 LaunchedURLClassLoader。

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當使用 java -jar 命令執(zhí)行 Spring Boot JAR 文件時，JVM 使用 MANIFEST.MF 文件中的 Main-Class 屬性來啟動指定的啟動器。

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JarLauncher 從源代碼中檢索 MainClass。

Spring Boot 啟動類加載器使用的 LaunchedURLClassLoader 首先讀取 MANIFEST.MF 中的其他屬性，例如 Start-Class（標識應(yīng)用程序的實際主類）和 Spring-Boot-Lib（指向內(nèi)部依賴庫的位置）。

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啟動類加載器的工作流程

• 當啟動類加載器啟動時，它根據(jù) MANIFEST.MF 文件中的信息組織類路徑，確保所有內(nèi)部依賴庫被正確加載。
• 加載器區(qū)分 BOOT-INF/classes 中的應(yīng)用程序類和 BOOT-INF/lib 中的依賴庫，并分別處理它們，將它們添加到類加載器的搜索路徑中。
• 加載器加載并執(zhí)行實際的 Start-Class，即應(yīng)用程序的主類，從而觸發(fā) Spring Boot 框架的初始化和啟動過程。例如，在一個示例應(yīng)用程序中，主類可能是：com.springboot.base.SpringBootBaseApplication。

Spring Boot 的啟動器與加載器機制有效地管理并執(zhí)行自包含的 JAR 文件。

我們不再需要擔心復(fù)雜的類路徑配置和依賴加載，一個簡單的命令就可以啟動一個完整的獨立應(yīng)用程序。

嵌入式 Web 容器

Spring Boot 的一個關(guān)鍵功能是其無縫集成并嵌入各種輕量級 Web 容器，如 Apache Tomcat、Jetty、Undertow 和 Reactor Netty（用于響應(yīng)式編程模型）。

嵌入式 Web 容器的引入極大地簡化了 Web 應(yīng)用程序的部署過程，避免了單獨安裝和配置 Web 服務(wù)器的需求（如過去必須本地安裝 Tomcat）。

當 Spring Boot 應(yīng)用程序包含 spring-boot-starter-web 依賴時，嵌入式 Web 容器會自動配置并啟動。

在 Spring Boot 應(yīng)用程序啟動過程中，嵌入式容器被初始化并綁定到特定端口，以提供 HTTP 服務(wù)。

Spring Boot 嵌入式 Web 容器的優(yōu)勢包括將 Web 容器嵌入到應(yīng)用程序中，從而簡化了部署，僅需一個 JAR 文件即可在干凈的環(huán)境中運行應(yīng)用程序。

這避免了與現(xiàn)有 Web 服務(wù)器版本或配置不當?shù)臎_突。同時，它加速了啟動過程，特別是在開發(fā)和測試階段，實現(xiàn)了接近即時的熱重啟。

此外，它通過在開發(fā)和生產(chǎn)環(huán)境中使用相同的 Web 容器，提高了應(yīng)用程序的穩(wěn)定性，減少了由環(huán)境差異引起的問題。

盡管是嵌入式的，容器仍然可以完全配置，如端口設(shè)置、連接限制和 SSL 配置，以滿足各種需求。

嵌入式 Web 容器真正實現(xiàn)了 Spring Boot 的“開箱即用”理念。

自動配置和類路徑掃描

Spring Boot 的核心特性之一是其強大的自動配置能力，使應(yīng)用程序幾乎無需配置就能快速啟動和運行。

當應(yīng)用程序啟動時，Spring Boot 會讀取 resource/META-INF/spring.factories 文件，該文件列出了所有可用的自動配置類。

當它檢測到應(yīng)用環(huán)境中的相應(yīng)自動配置類時，這些類將生效，通過帶有 @Configuration 注解的類創(chuàng)建并注冊 Bean 到 Spring 容器中，從而實現(xiàn)自動 Bean 配置。

注意：從 Spring Boot 3.x 開始，自動配置類將從*org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfiguration.imports* 讀取，而不是 *resource/META-INF/spring.factories* 。有關(guān)更多詳細信息，請參閱文章： 華為面試：如何在 Spring Boot 中自定義 Starter？。

Spring Boot 還使用條件注解（如 @ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean 等）來智能地決定何時應(yīng)用特定的配置。

這些注解可以根據(jù)類路徑中是否存在特定的類、系統(tǒng)屬性或環(huán)境變量來激活特定的自動配置類。

這意味著只有在滿足某些條件時，才會創(chuàng)建并注入 Bean。

應(yīng)用程序的主類帶有 @SpringBootApplication 注解，這是一個組合注解，包含了 @SpringBootConfiguration、@EnableAutoConfiguration 和 @ComponentScan 的功能。具體來說：

• @SpringBootConfiguration：一個 Spring 配置類，能夠替代 @Configuration 注解，聲明當前類為 Spring 配置類，包含一系列 @Bean 方法或 @ConfigurationProperties 配置。
• @EnableAutoConfiguration：啟用自動配置功能，指示 Spring Boot 根據(jù)應(yīng)用程序類路徑中的依賴項自動配置 Bean。
• @ComponentScan：自動掃描和管理 Spring 組件，包括帶有 @Service、@Repository、@Controller 和 @Component 注解的類。此注解允許 Spring Boot 自動發(fā)現(xiàn)和管理應(yīng)用程序中的各種組件，并將其注冊為 Spring 容器中的 Bean。

通過這些機制，Spring Boot 能夠智能識別項目依賴，自動配置 Bean，并確保通過類路徑掃描正確初始化和管理所有相關(guān)組件和服務(wù)。

這使得我們可以專注于開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯，而無需擔心基礎(chǔ)設(shè)施級別的配置問題。

結(jié)論

Spring Boot 應(yīng)用程序打包為 JAR 文件后，能夠通過 java -jar 命令直接運行，這得益于構(gòu)建過程中進行的特殊設(shè)計和配置。具體來說：

• Fat/Uber JAR：Spring Boot 使用 spring-boot-maven-plugin（或相應(yīng)的 Gradle 插件）將項目及其所有依賴項打包成一個自包含的 JAR 文件，稱為 "Fat JAR" 或 "Uber JAR"。這意味著它不僅包含自己的類文件，還包括運行應(yīng)用程序所需的所有第三方庫。
• Manifest.MF：在打包過程中，該插件修改了 JAR 內(nèi)的元數(shù)據(jù)文件 MANIFEST.MF。在 MANIFEST.MF 中，Main-Class 屬性被指定，指向內(nèi)置的 Spring Boot 啟動類（如 org.springframework.boot.loader.JarLauncher），該類知道如何正確啟動 Spring Boot 應(yīng)用程序。
• 嵌入式 Servlet 容器：Spring Boot 默認集成了嵌入式 Web 容器，如 Tomcat、Jetty 或 Undertow，使得 Web 應(yīng)用程序無需外部服務(wù)器環(huán)境即可運行。
• 啟動類加載器：當使用 java -jar 命令運行 Spring Boot 應(yīng)用程序時，JVM 會根據(jù) MANIFEST.MF 中的 Main-Class 屬性找到并運行指定的啟動類。該啟動類加載器能夠解壓并加載內(nèi)部依賴庫，并找到實際的主應(yīng)用程序類（無論是在 spring-boot-starter-parent中，還是帶有 @SpringBootApplication 注解的類），執(zhí)行其 main 方法。
• 類路徑掃描和自動配置：Spring Boot 應(yīng)用程序使用特定的類路徑掃描機制和自動配置功能，在啟動時識別并自動配置應(yīng)用程序所需的服務(wù)和組件，大大簡化了傳統(tǒng) Java 應(yīng)用程序的配置和部署過程。

通過精心設(shè)計的打包過程和啟動類，Spring Boot 實現(xiàn)了生成的 JAR 文件作為獨立應(yīng)用程序運行，顯著降低了部署和操作的復(fù)雜性。