在傳統的 Java 應用程序開發和部署場景中，開發人員通常需要經過一系列復雜的步驟，才能成功將應用程序部署到生產環境中。

例如，對于基于 Servlet 規范的 Java Web 應用程序，在開發完成后，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，開發人員需要管理應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，并適當配置服務器，以確保應用程序正常運行。

隨著 Spring Boot 的出現，它通過開箱即用和約定優于配置的理念，徹底改變了 Java 應用程序開發體驗。

Spring Boot 的一個標志性功能是，應用程序可以被打包為直接可執行的 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 服務或任何類型的 Java 應用程序？

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 容器并實現自動配置。

這使開發人員能夠快速將應用程序部署到任何支持 Java 的環境中。

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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，它將應用程序所需的所有依賴項與應用程序自身的類文件結合到一個 JAR 文件中。

在 Spring Boot 的上下文中，Fat JAR 用于構建一個完全自包含且獨立可執行的應用程序包。

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”，這意味著部署應用程序只需分發這一個文件，而無需單獨處理眾多依賴庫。

這大大簡化了應用程序的快速部署和遷移，尤其適合云部署或沒有網絡訪問環境的安裝。

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

在 Java 生態系統中，普通的 JAR 文件可能只是一個庫或一組相關功能的集合，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庫。

與此相比，Fat JAR 通過將所有依賴項都包含在自身內部，解決了依賴管理問題，避免了因類路徑設置不當導致的“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用程序，而無需預先配置復雜的類路徑環境。

Spring Boot 應用程序的打包機制

Spring Boot 應用程序的打包機制充分利用了 Maven 或 Gradle 等構建工具的強大功能，旨在簡化傳統的 Java 應用程序構建和部署過程。

這種機制的核心在于創建一個可執行的 Fat JAR，使開發人員能夠輕松地將整個 Spring Boot 應用程序及其依賴項打包成一個文件，從而實現一鍵啟動和便捷部署。

以 Maven 打包為例：

對于使用 Maven 構建的 Spring Boot 應用程序，spring-boot-maven-plugin 是負責處理 Fat JAR 構建的關鍵插件。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建項目。

隨后，spring-boot-maven-plugin 將執行 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，以及特定的元數據（如 MANIFEST.MF 文件中的主類信息）。

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

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META-INF/：包含 MANIFEST.MF 文件和其他元數據，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。

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

Spring Boot 啟動器與加載機制

Spring Boot 應用程序 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 文件和內部的類加載邏輯來實現。

什么是 MANIFEST.MF 文件？

MANIFEST.MF 是 JAR 文件中的標準元數據文件，它包含了 JAR 包的基本信息和運行指令。

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

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 應用程序。

JarLauncher 負責創建類加載器 LaunchedURLClassLoader。

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當使用 java -jar 命令執行 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（標識應用程序的實際主類）和 Spring-Boot-Lib（指向內部依賴庫的位置）。

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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 MANIFEST.MF 文件中的信息組織類路徑，確保所有內部依賴庫被正確加載。
• 加載器區分 BOOT-INF/classes 中的應用程序類和 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。
• 加載器加載并執行實際的 Start-Class，即應用程序的主類，從而觸發 Spring Boot 框架的初始化和啟動過程。例如，在一個示例應用程序中，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行自包含的 JAR 文件。

我們不再需要擔心復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用程序。

嵌入式 Web 容器

Spring Boot 的一個關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（用于響應式編程模型）。

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

當 Spring Boot 應用程序包含 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。

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

這避免了與現有 Web 服務器版本或配置不當的沖突。同時，它加速了啟動過程，特別是在開發和測試階段，實現了接近即時的熱重啟。

此外，它通過在開發和生產環境中使用相同的 Web 容器，提高了應用程序的穩定性，減少了由環境差異引起的問題。

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，使應用程序幾乎無需配置就能快速啟動和運行。

當應用程序啟動時，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。

當它檢測到應用環境中的相應自動配置類時，這些類將生效，通過帶有 @Configuration 注解的類創建并注冊 Bean 到 Spring 容器中，從而實現自動 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用特定的配置。

這些注解可以根據類路徑中是否存在特定的類、系統屬性或環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，才會創建并注入 Bean。

應用程序的主類帶有 @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 根據應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 自動發現和管理應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組件和服務。

這使得我們可以專注于開發業務邏輯，而無需擔心基礎設施級別的配置問題。

結論

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

• Fat/Uber JAR：Spring Boot 使用 spring-boot-maven-plugin（或相應的 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 內的元數據文件 MANIFEST.MF。在 MANIFEST.MF 中，Main-Class 屬性被指定，指向內置的 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 應用程序無需外部服務器環境即可運行。
• 啟動類加載器：當使用 java -jar 命令運行 Spring Boot 應用程序時，JVM 會根據 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部依賴庫，并找到實際的主應用程序類（無論是在 spring-boot-starter-parent中，還是帶有 @SpringBootApplication 注解的類），執行其 main 方法。
• 類路徑掃描和自動配置：Spring Boot 應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用程序所需的服務和組件，大大簡化了傳統 Java 應用程序的配置和部署過程。

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