在传统的 Java 应用程序开发和部署场景中，开发人员通常需要经过一系列复杂的步骤，才能成功将应用程序部署到生产环境中。
例如，对于基于 Servlet 规范的 Java Web 应用程序，在开发完成后，通常会将其打包为 WAR 文件，然后部署到像 Apache Tomcat 或 Jetty 这样的 Web 容器中。
在此过程中，开发人员需要管理应用程序本身的已编译工件，处理各种第三方依赖项的版本和加载顺序，并适当配置服务器，以确保应用程序正常运行。
随着 Spring Boot 的出现，它通过开箱即用和约定优于配置的理念，彻底改变了 Java 应用程序开发体验。
Spring Boot 的一个标志性功能是，应用程序可以被打包为直接可执行的 JAR 文件，而无需外部容器。
当我们提到“Spring Boot JAR 可以直接运行”时，会引发一个问题：是什么机制使得一个简单的命令行操作就能启动一个完整的 Web 服务或任何类型的 Java 应用程序？
本文将深入探讨 Spring Boot 的打包过程及其运行原理，揭示其 JAR 文件如何巧妙地集成依赖项、嵌入 Web 容器并实现自动配置。
这使开发人员能够快速将应用程序部署到任何支持 Java 的环境中。
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Spring Boot JAR 包的基本概念
Fat JAR（也称为 Uber JAR，诙谐地被称为“胖 JAR”）是一种特殊类型的 Java 存档（JAR）文件，它将应用程序所需的所有依赖项与应用程序自身的类文件结合到一个 JAR 文件中。
在 Spring Boot 的上下文中，Fat JAR 用于构建一个完全自包含且独立可执行的应用程序包。
这种 JAR 文件不仅包括项目的主代码，还包括所有必要的第三方库、资源文件以及运行时所需的所有其他组件。
Fat JAR 的核心特性是“自包含”，这意味着部署应用程序只需分发这一个文件，而无需单独处理众多依赖库。
这大大简化了应用程序的快速部署和迁移，尤其适合云部署或没有网络访问环境的安装。
相较之下，普通的 JAR 文件通常只包含应用程序的一个模块或部分，主要用于封装和组织 Java 类及相关资源。
在 Java 生态系统中，普通的 JAR 文件可能只是一个库或一组相关功能的集合，但不会包含其他依赖的 JAR 文件，运行时需要在类路径中提供其他相关库。
与此相比，Fat JAR 通过将所有依赖项都包含在自身内部，解决了依赖管理问题，避免了因类路径设置不当导致的“缺少类”或“类未找到”问题。
在 Spring Boot 项目中，可以使用 Maven 或 Gradle 插件轻松构建 Fat JAR，使最终的 JAR 文件成为一个真正的“一站式”解决方案，只需通过 java -jar 命令即可启动整个应用程序，而无需预先配置复杂的类路径环境。
Spring Boot 应用程序的打包机制
Spring Boot 应用程序的打包机制充分利用了 Maven 或 Gradle 等构建工具的强大功能，旨在简化传统的 Java 应用程序构建和部署过程。
这种机制的核心在于创建一个可执行的 Fat JAR，使开发人员能够轻松地将整个 Spring Boot 应用程序及其依赖项打包成一个文件，从而实现一键启动和便捷部署。
以 Maven 打包为例：
对于使用 Maven 构建的 Spring Boot 应用程序，spring-boot-maven-plugin 是负责处理 Fat JAR 构建的关键插件。在 pom.xml 文件中，通常会看到以下配置：
<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>通过使用 mvn package 命令，Maven 将首先按照标准流程构建项目。
随后，spring-boot-maven-plugin 将执行 repackage 目标，该目标会将生成的标准 JAR 文件重新打包为一个包含所有依赖项和适当启动信息的 Fat JAR。
生成的 JAR 随后可以直接通过 java -jar 命令启动。
Spring Boot 应用程序的打包机制确保生成的包不仅包括项目本身的类，还包括所有必要的运行时依赖项，以及特定的元数据（如 MANIFEST.MF 文件中的主类信息）。
这一功能大大简化了部署过程，并有助于提高应用程序的可移植性和可维护性。Fat JAR 的内容包括：
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META-INF/：包含 MANIFEST.MF 文件和其他元数据，其中 Main-Class 属性指向 Spring Boot 启动类。
BOOT-INF/classes/：存储项目的类文件和资源文件。
BOOT-INF/lib/：保存所有依赖的 JAR 文件，包括 Spring Boot 启动依赖项和其他第三方库。
（如果项目中有静态资源文件，在 BOOT-INF 下还会有相应的目录，如 static、templates等。）
Spring Boot 启动器与加载机制
Spring Boot 应用程序 JAR 能够直接运行，主要依赖于其启动器和加载机制，这通过 MANIFEST.MF 文件和内部的类加载逻辑来实现。
什么是 MANIFEST.MF 文件？
MANIFEST.MF 是 JAR 文件中的标准元数据文件，它包含了 JAR 包的基本信息和运行指令。
在 Spring Boot 应用程序的 JAR 中，MANIFEST.MF 文件尤为重要，因为它设置了 Main-Class属性，指明了用于启动整个应用程序的类。
这个类通常是 org.springframework.boot.loader.JarLauncher 或者 Spring Boot 提供的其他启动类。
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Main-Class 属性指向的是 JarLauncher 类，这个类是 Spring Boot 自定义类加载系统的一部分。
JarLauncher 继承了 org.springframework.boot.loader.Launcher，专门用于启动以 Fat JAR 打包的 Spring Boot 应用程序。
JarLauncher 负责创建类加载器 LaunchedURLClassLoader。
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当使用 java -jar 命令执行 Spring Boot JAR 文件时，JVM 使用 MANIFEST.MF 文件中的 Main-Class 属性来启动指定的启动器。
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JarLauncher 从源代码中检索 MainClass。
Spring Boot 启动类加载器使用的 LaunchedURLClassLoader 首先读取 MANIFEST.MF 中的其他属性，例如 Start-Class（标识应用程序的实际主类）和 Spring-Boot-Lib（指向内部依赖库的位置）。
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启动类加载器的工作流程
- 当启动类加载器启动时，它根据 MANIFEST.MF 文件中的信息组织类路径，确保所有内部依赖库被正确加载。
- 加载器区分 BOOT-INF/classes 中的应用程序类和 BOOT-INF/lib 中的依赖库，并分别处理它们，将它们添加到类加载器的搜索路径中。
- 加载器加载并执行实际的 Start-Class，即应用程序的主类，从而触发 Spring Boot 框架的初始化和启动过程。例如，在一个示例应用程序中，主类可能是：com.springboot.base.SpringBootBaseApplication。
Spring Boot 的启动器与加载器机制有效地管理并执行自包含的 JAR 文件。
我们不再需要担心复杂的类路径配置和依赖加载，一个简单的命令就可以启动一个完整的独立应用程序。
嵌入式 Web 容器
Spring Boot 的一个关键功能是其无缝集成并嵌入各种轻量级 Web 容器，如 Apache Tomcat、Jetty、Undertow 和 Reactor Netty（用于响应式编程模型）。
嵌入式 Web 容器的引入极大地简化了 Web 应用程序的部署过程，避免了单独安装和配置 Web 服务器的需求（如过去必须本地安装 Tomcat）。
当 Spring Boot 应用程序包含 spring-boot-starter-web 依赖时，嵌入式 Web 容器会自动配置并启动。
在 Spring Boot 应用程序启动过程中，嵌入式容器被初始化并绑定到特定端口，以提供 HTTP 服务。
Spring Boot 嵌入式 Web 容器的优势包括将 Web 容器嵌入到应用程序中，从而简化了部署，仅需一个 JAR 文件即可在干净的环境中运行应用程序。
这避免了与现有 Web 服务器版本或配置不当的冲突。同时，它加速了启动过程，特别是在开发和测试阶段，实现了接近即时的热重启。
此外，它通过在开发和生产环境中使用相同的 Web 容器，提高了应用程序的稳定性，减少了由环境差异引起的问题。
尽管是嵌入式的，容器仍然可以完全配置，如端口设置、连接限制和 SSL 配置，以满足各种需求。
嵌入式 Web 容器真正实现了 Spring Boot 的“开箱即用”理念。
自动配置和类路径扫描
Spring Boot 的核心特性之一是其强大的自动配置能力，使应用程序几乎无需配置就能快速启动和运行。
当应用程序启动时，Spring Boot 会读取 resource/META-INF/spring.factories 文件，该文件列出了所有可用的自动配置类。
当它检测到应用环境中的相应自动配置类时，这些类将生效，通过带有 @Configuration 注解的类创建并注册 Bean 到 Spring 容器中，从而实现自动 Bean 配置。
注意：从 Spring Boot 3.x 开始，自动配置类将从*org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfiguration.imports* 读取，而不是 *resource/META-INF/spring.factories* 。有关更多详细信息，请参阅文章： 华为面试：如何在 Spring Boot 中自定义 Starter？。
Spring Boot 还使用条件注解（如 @ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean 等）来智能地决定何时应用特定的配置。
这些注解可以根据类路径中是否存在特定的类、系统属性或环境变量来激活特定的自动配置类。
这意味着只有在满足某些条件时，才会创建并注入 Bean。
应用程序的主类带有 @SpringBootApplication 注解，这是一个组合注解，包含了 @SpringBootConfiguration、@EnableAutoConfiguration 和 @ComponentScan 的功能。具体来说：
- @SpringBootConfiguration：一个 Spring 配置类，能够替代 @Configuration 注解，声明当前类为 Spring 配置类，包含一系列 @Bean 方法或 @ConfigurationProperties 配置。
- @EnableAutoConfiguration：启用自动配置功能，指示 Spring Boot 根据应用程序类路径中的依赖项自动配置 Bean。
- @ComponentScan：自动扫描和管理 Spring 组件，包括带有 @Service、@Repository、@Controller 和 @Component 注解的类。此注解允许 Spring Boot 自动发现和管理应用程序中的各种组件，并将其注册为 Spring 容器中的 Bean。
通过这些机制，Spring Boot 能够智能识别项目依赖，自动配置 Bean，并确保通过类路径扫描正确初始化和管理所有相关组件和服务。
这使得我们可以专注于开发业务逻辑，而无需担心基础设施级别的配置问题。
结论
Spring Boot 应用程序打包为 JAR 文件后，能够通过 java -jar 命令直接运行，这得益于构建过程中进行的特殊设计和配置。具体来说：
- Fat/Uber JAR：Spring Boot 使用 spring-boot-maven-plugin（或相应的 Gradle 插件）将项目及其所有依赖项打包成一个自包含的 JAR 文件，称为 "Fat JAR" 或 "Uber JAR"。这意味着它不仅包含自己的类文件，还包括运行应用程序所需的所有第三方库。
- Manifest.MF：在打包过程中，该插件修改了 JAR 内的元数据文件 MANIFEST.MF。在 MANIFEST.MF 中，Main-Class 属性被指定，指向内置的 Spring Boot 启动类（如 org.springframework.boot.loader.JarLauncher），该类知道如何正确启动 Spring Boot 应用程序。
- 嵌入式 Servlet 容器：Spring Boot 默认集成了嵌入式 Web 容器，如 Tomcat、Jetty 或 Undertow，使得 Web 应用程序无需外部服务器环境即可运行。
- 启动类加载器：当使用 java -jar 命令运行 Spring Boot 应用程序时，JVM 会根据 MANIFEST.MF 中的 Main-Class 属性找到并运行指定的启动类。该启动类加载器能够解压并加载内部依赖库，并找到实际的主应用程序类（无论是在 spring-boot-starter-parent中，还是带有 @SpringBootApplication 注解的类），执行其 main 方法。
- 类路径扫描和自动配置：Spring Boot 应用程序使用特定的类路径扫描机制和自动配置功能，在启动时识别并自动配置应用程序所需的服务和组件，大大简化了传统 Java 应用程序的配置和部署过程。
通过精心设计的打包过程和启动类，Spring Boot 实现了生成的 JAR 文件作为独立应用程序运行，显著降低了部署和操作的复杂性。
