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精尽Spring Boot源码分析 – Jar 包的启动实现

精尽Spring Boot源码分析 - Jar 包的启动实现

该系列文章是笔者在学习 Spring Boot 过程中总结下来的，里面涉及到相关源码，可能对读者不太友好，请结合我的源码注释 Spring Boot 源码分析 GitHub 地址 进行阅读

Spring Boot 版本：2.2.x

最好对 Spring 源码有一定的了解，可以先查看我的 《死磕 Spring 之 IoC 篇 – 文章导读》 系列文章

如果该篇内容对您有帮助，麻烦点击一下“推荐”，也可以关注博主，感激不尽~

概述

Spring Boot 提供了 Maven 插件 spring-boot-maven-plugin，可以很方便的将我们的 Spring Boot 项目打成 jar 包或者 war 包。

考虑到部署的便利性，我们绝大多数（99.99%）的场景下，都会选择打成 jar 包，这样一来，我们就无需将项目部署于 Tomcat、Jetty 等 Servlet 容器中。

那么，通过 Spring Boot 插件生成的 jar 包是如何运行，并启动 Spring Boot 应用的呢？这个就是本文的目的，我们一起来弄懂 Spring Boot jar 包的运行原理。

这里，我通过 Spring Boot Maven Plugin 生成了一个 jar 包，其里面的结构如下所示：

  1. BOOT-INF 目录，里面保存了我们自己 Spring Boot 项目编译后的所有文件，其中 classes 目录下面就是编译后的 .class 文件，包括项目中的配置文件等，lib 目录下就是我们引入的第三方依赖
  2. META-INF 目录，通过 MANIFEST.MF 文件提供 jar 包的元数据，声明 jar 的启动类等信息。每个 Java jar 包应该是都有这个文件的，参考 Oracle 官方对于 jar 的说明，里面有一个 Main-Class 配置用于指定启动类
  3. org.springframework.boot.loader 目录，也就是 Spring Boot 的 spring-boot-loader 工具模块，它就是 java -jar xxx.jar 启动 Spring Boot 项目的秘密所在，上面的 Main-Class 指定的就是该工具模块中的一个类

MANIFEST.MF

META-INF/MANIFEST.MF 文件如下：

Manifest-Version: 1.0
Implementation-Title: spring-boot-study
Implementation-Version: 1.0.0-SNAPSHOT
Built-By: jingping
Implementation-Vendor-Id: org.springframework.boot.demo
Spring-Boot-Version: 2.0.3.RELEASE
Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher # spring-boot-loader 中的启动类
Start-Class: org.springframework.boot.demo.Application # 你的 Spring Boot 项目中的启动类
Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/ # 你的 Spring Boot 项目编译后的 .class 文件所在目录
Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/ # 你的 Spring Boot 项目所引入的第三方依赖所在目录
Created-By: Apache Maven 3.6.3
Build-Jdk: 1.8.0_251
Implementation-URL: https://projects.spring.io/spring-boot/#/spring-boot-starter-parent/info-dependencies/dwzq-info/info-stock-project/sp-provider

参考 Oracle 官方对该的说明：

  • Main-Class：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
  • Start-Class：Spring Boot 规定的主启动类，这里通过 Spring Boot Maven Plugin 插件打包时，会设置为我们定义的 Application 启动类

为什么不直接将我们的 Application 启动类设置为 Main-Class 启动呢？

因为通过 Spring Boot Maven Plugin 插件打包后的 jar 包，我们的 .class 文件在 BOOT-INF/classes/ 目录下，在 Java 默认的 jar 包加载规则下找不到我们的 Application 启动类，也就需要通过 JarLauncher 启动加载。

当然，还有一个原因，Java 规定可执行器的 jar 包禁止嵌套其它 jar 包，在 BOOT-INF/lib 目录下有我们 Spring Boot 应用依赖的所有第三方 jar 包，因此spring-boot-loader 项目自定义实现了 ClassLoader 实现类 LaunchedURLClassLoader，支持加载 BOOT-INF/classes 目录下的 .class 文件，以及 BOOT-INF/lib 目录下的 jar 包。

接下来，我们一起来看看 Spring Boot 的 JarLauncher 这个类

1. JarLauncher

类图：

上面的 WarLauncher 是针对 war 包的启动类，和 JarLauncher 差不多，感兴趣的可以看一看，这里我们直接来看到 JarLauncher 这个类

public class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher {

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

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

	public JarLauncher() {
	}

	protected JarLauncher(Archive archive) {
		super(archive);
	}

	@Override
	protected boolean isNestedArchive(Archive.Entry entry) {
		// 只接受 `BOOT-INF/classes/` 目录
		if (entry.isDirectory()) {
			return entry.getName().equals(BOOT_INF_CLASSES);
		}
		// 只接受 `BOOT-INF/lib/` 目录下的 jar 包
		return entry.getName().startsWith(BOOT_INF_LIB);
	}

	/**
	 * 这里是 java -jar 启动 SpringBoot 打包后的 jar 包的入口
	 * 可查看 jar 包中的 META-INF/MANIFEST.MF 文件（该文件用于对 Java 应用进行配置）
	 * 参考 Oracle 官方对于 jar 的说明（https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/jar/jar.html）
	 * 该文件其中会有一个配置项：Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher
	 * 这个配置表示会调用 JarLauncher#main(String[]) 方法，也就当前方法
	 */
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// <1> 创建当前类的实例对象，会创建一个 Archive 对象（当前应用），可用于解析 jar 包（当前应用）中所有的信息
		// <2> 调用其 launch(String[]) 方法
		new JarLauncher().launch(args);
	}
}

可以看到它有个 main(String[]) 方法，前面说到的 META-INF/MANIFEST.MF 文件中的 Main-Class 配置就是指向了这个类，也就会调用这里的 main 方法，会做下面两件事：

  1. 创建一个 JarLauncher 实例对象，在 ExecutableArchiveLauncher 父类中会做以下事情：

    public abstract class ExecutableArchiveLauncher extends Launcher {

	private final Archive archive;

	public ExecutableArchiveLauncher() {
		try {
			// 为当前应用创建一个 Archive 对象，可用于解析 jar 包（当前应用）中所有的信息
			this.archive = createArchive();
		}
		catch (Exception ex) {
			throw new IllegalStateException(ex);
		}
	}
	
	protected final Archive createArchive() throws Exception {
		// 获取 jar 包（当前应用）所在的绝对路径
		ProtectionDomain protectionDomain = getClass().getProtectionDomain();
		CodeSource codeSource = protectionDomain.getCodeSource();
		URI location = (codeSource != null) ? codeSource.getLocation().toURI() : null;
		String path = (location != null) ? location.getSchemeSpecificPart() : null;
		if (path == null) {
			throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive");
		}
		// 当前 jar 包
		File root = new File(path);
		if (!root.exists()) {
			throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive from " + root);
		}
		// 为当前 jar 包创建一个 JarFileArchive（根条目），需要通过它解析出 jar 包中的所有信息
		// 如果是文件夹的话则创建 ExplodedArchive（根条目）
		return (root.isDirectory() ? new ExplodedArchive(root) : new JarFileArchive(root));
	}
}

    会为当前应用创建一个 Archive 对象，可用于解析 jar 包（当前应用）中所有的信息，可以把它理解为一个“根”对象，可以通过它获取我们所需要的类信息

  2. 调用 JarLauncher#launch(String[]) 方法，也就是调用父类 Launcher 的这个方法

2. Launcher

org.springframework.boot.loader.Launcher，Spring Boot 应用的启动器

2. launch 方法

public abstract class Launcher {

	/**
	 * Launch the application. This method is the initial entry point that should be
	 * called by a subclass {@code public static void main(String[] args)} method.
	 * @param args the incoming arguments
	 * @throws Exception if the application fails to launch
	 */
	protected void launch(String[] args) throws Exception {
		// <1> 注册 URL（jar）协议的处理器
		JarFile.registerUrlProtocolHandler();
		// <2> 先从 `archive`（当前 jar 包应用）解析出所有的 JarFileArchive
		// <3> 创建 Spring Boot 自定义的 ClassLoader 类加载器，可加载当前 jar 中所有的类
		ClassLoader classLoader = createClassLoader(getClassPathArchives());
		// <4> 获取当前应用的启动类（你自己写的那个 main 方法）
		// <5> 执行你的那个 main 方法
		launch(args, getMainClass(), classLoader);
	}
}

会做以下几件事：

  1. 调用 JarFile#registerUrlProtocolHandler() 方法，注册 URL（jar）协议的处理器，主要是使用自定义的 URLStreamHandler 处理器处理 jar 包
  2. 调用 getClassPathArchives() 方法，先从 archive（当前 jar 包应用）解析出所有的 JarFileArchive，这个 archive 就是在上面创建 JarLauncher 实例对象过程中创建的
  3. 调用 createClassLoader(List<Archive>) 方法，创建 Spring Boot 自定义的 ClassLoader 类加载器，可加载当前 jar 包中所有的类，包括依赖的第三方包
  4. 调用 getMainClass() 方法，获取当前应用的启动类（你自己写的那个 main 方法所在的 Class 类对象）
  5. 调用 launch(...) 方法，执行你的项目中那个启动类的 main 方法（反射）

你可以理解为会创建一个自定义的 ClassLoader 类加载器，主要可加载 BOOT-INF/classes 目录下的类，以及 BOOT-INF/lib 目录下的 jar 包中的类，然后调用你 Spring Boot 应用的启动类的 main 方法

接下来我们逐步分析上面的每个步骤

2.1 registerUrlProtocolHandler 方法

备注：注册 URL（jar）协议的处理器

这个方法在 org.springframework.boot.loader.jar.JarFile 中，这个类是 java.util.jar.JarFile 的子类，对它进行扩展，提供更多的功能，便于操作 jar 包

public static void registerUrlProtocolHandler() {
    // <1> 获取系统变量中的 `java.protocol.handler.pkgs` 配置的 URLStreamHandler 路径
    String handlers = System.getProperty(PROTOCOL_HANDLER, "");
    // <2> 将 Spring Boot 自定义的 URL 协议处理器路径（`org.springframework.boot.loader`）添加至系统变量中
    // JVM 启动时会获取 `java.protocol.handler.pkgs` 属性，多个用 `|` 分隔，以他们作为包名前缀，然后使用 `包名前缀.协议名.Handler` 作为该协议的实现
    // 那么这里就会将 `org.springframework.boot.loader.jar.Handler` 作为 jar 包协议的实现
    System.setProperty(PROTOCOL_HANDLER,
            ("".equals(handlers) ? HANDLERS_PACKAGE : handlers + "|" + HANDLERS_PACKAGE));
    // <3> 重置已缓存的 URLStreamHandler 处理器们，避免重复创建
    resetCachedUrlHandlers();
}

方法的处理过程如下：

  1. 获取系统变量中的 java.protocol.handler.pkgs 配置的 URLStreamHandler 路径

  2. 将 Spring Boot 自定义的 URL 协议处理器路径（org.springframework.boot.loader）添加至系统变量中

    JVM 启动时会获取 java.protocol.handler.pkgs 属性，多个用 | 分隔，以他们作为包名前缀，然后使用 包名前缀.协议名.Handler 作为该协议的实现

    那么这里就会将 org.springframework.boot.loader.jar.Handler 作为 jar 包协议的实现，用于处理 jar 包

  3. 重置已缓存的 URLStreamHandler 处理器们，避免重复创建

    private static void resetCachedUrlHandlers() {    try {        URL.setURLStreamHandlerFactory(null);    } catch (Error ex) {        // Ignore    }}

2.2 getClassPathArchives 方法

备注：从 archive（当前 jar 包应用）解析出所有的 JarFileArchive

该方法在 org.springframework.boot.loader.ExecutableArchiveLauncher 子类中实现，如下：

@Overrideprotected List<Archive> getClassPathArchives() throws Exception {    // <1> 创建一个 Archive.EntryFilter 类，用于判断 Archive.Entry 是否匹配，过滤 jar 包（当前应用）以外的东西    // <2> 从 `archive`（当前 jar 包）解析出所有 Archive 条目信息    List<Archive> archives = new ArrayList<>(this.archive.getNestedArchives(this::isNestedArchive));    postProcessClassPathArchives(archives);    // <3> 返回找到的所有 JarFileArchive    // `BOOT-INF/classes/` 目录对应一个 JarFileArchive（因为就是当前应用中的内容）    // `BOOT-INF/lib/` 目录下的每个 jar 包对应一个 JarFileArchive    return archives;}

过程如下：

  1. 创建一个 Archive.EntryFilter 实现类，用于判断 Archive.Entry 是否匹配，过滤掉 jar 包（当前应用）以外的东西

    public class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher {	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) {		// 只接受 `BOOT-INF/classes/` 目录		if (entry.isDirectory()) {			return entry.getName().equals(BOOT_INF_CLASSES);		}		// 只接受 `BOOT-INF/lib/` 目录下的 jar 包		return entry.getName().startsWith(BOOT_INF_LIB);	}}

  2. 从 archive（当前 jar 包）解析出所有 Archive 条目信息，这个 archive 在上面 1. JarLauncher 讲到过，创建 JarLauncher 实例化对象的时候会初始化 archive，是一个 JarFileArchive 对象，也就是我们打包后的 jar 包，那么接下来需要从中解析出所有的 Archive 对象

    // JarFileArchive.java@Overridepublic List<Archive> getNestedArchives(EntryFilter filter) throws IOException {    List<Archive> nestedArchives = new ArrayList<>();    // 遍历 jar 包（当前应用）中所有的 Entry    for (Entry entry : this) {        // 进行过滤，`BOOT-INF/classes/` 目录或者 `BOOT-INF/lib/` 目录下的 jar 包        if (filter.matches(entry)) {            // 将 Entry 转换成 JarFileArchive            nestedArchives.add(getNestedArchive(entry));        }    }    // 返回 jar 包（当前应用）找到的所有 JarFileArchive    // `BOOT-INF/classes/` 目录对应一个 JarFileArchive（因为就是当前应用中的内容）    // `BOOT-INF/lib/` 目录下的每个 jar 包对应一个 JarFileArchive    return Collections.unmodifiableList(nestedArchives);}

    返回 jar 包（当前应用）找到的所有 JarFileArchive：

    • BOOT-INF/classes/ 目录对应一个 JarFileArchive（因为就是当前 Spring Boot 应用编译后的内容）
    • BOOT-INF/lib/ 目录下的每个 jar 包对应一个 JarFileArchive

  3. 返回从 jar 包中找到的所有 JarFileArchive

这一步骤就是从 jar 包中解析出我们需要的东西来，如上描述，每个 JarFileArchive 会对应一个 JarFile 对象

2.3 createClassLoader 方法

备注：创建 Spring Boot 自定义的 ClassLoader 类加载器，可加载当前 jar 中所有的类

protected ClassLoader createClassLoader(List<Archive> archives) throws Exception {    // <1> 获取所有 JarFileArchive 对应的 URL    List<URL> urls = new ArrayList<>(archives.size());    for (Archive archive : archives) {        urls.add(archive.getUrl());    }    // <2> 创建 Spring Boot 自定义的 ClassLoader 类加载器，并设置父类加载器为当前线程的类加载器    // 通过它解析这些 URL，也就是加载 `BOOT-INF/classes/` 目录下的类和 `BOOT-INF/lib/` 目录下的所有 jar 包    return createClassLoader(urls.toArray(new URL[0]));}protected ClassLoader createClassLoader(URL[] urls) throws Exception {    return new LaunchedURLClassLoader(urls, getClass().getClassLoader());}

该过程如下：

  1. 获取所有 JarFileArchive 对应的 URL
  2. 创建 Spring Boot 自定义的 ClassLoader 类加载器，并设置父类加载器为当前线程的类加载器

可以看到 LaunchedURLClassLoader 为自定义类加载器，这样就能从我们 jar 包中的 BOOT-INF/classes/ 目录下和 BOOT-INF/lib/ 目录下的所有三方依赖包中加载出 Class 类对象

2.4 getMainClass 方法

备注：获取当前应用的启动类（你自己写的那个 main 方法）

// ExecutableArchiveLauncher.java@Overrideprotected String getMainClass() throws Exception {    // 获取 jar 包（当前应用）的 Manifest 对象，也就是 META-INF/MANIFEST.MF 文件中的属性    Manifest manifest = this.archive.getManifest();    String mainClass = null;    if (manifest != null) {        // 获取启动类（当前应用自己的启动类）        mainClass = manifest.getMainAttributes().getValue("Start-Class");    }    if (mainClass == null) {        throw new IllegalStateException("No "Start-Class" manifest entry specified in " + this);    }    // 返回当前应用的启动类    return mainClass;}

过程如下：

  1. 获取 jar 包（当前应用）的 Manifest 对象，也就是 META-INF/MANIFEST.MF 文件中的属性
  2. 获取启动类（当前应用自己的启动类），也就是 Start-Class 配置，并返回

可以看到，这一步就是找到你 Spring Boot 应用的启动类，前面 ClassLoader 类加载器都准备好了，那么现在不就可以直接调用这个类的 main 方法来启动应用了

2.5 launch 方法

备注：执行你的 Spring Boot 应用的启动类的 main 方法

protected void launch(String[] args, String mainClass, ClassLoader classLoader) throws Exception {    // 设置当前线程的 ClassLoader 为刚创建的类加载器    Thread.currentThread().setContextClassLoader(classLoader);    // 创建一个 MainMethodRunner 对象（main 方法执行器）    // 执行你的 main 方法（反射）    createMainMethodRunner(mainClass, args, classLoader).run();}protected MainMethodRunner createMainMethodRunner(String mainClass, String[] args, ClassLoader classLoader) {    return new MainMethodRunner(mainClass, args);}

整个过程很简单，先设置当前线程的 ClassLoader 为刚创建的类加载器，然后创建一个 MainMethodRunner 对象（main 方法执行器），执行你的 main 方法（反射），启动 Spring Boot 应用

public class MainMethodRunner {	private final String mainClassName;	private final String[] args;	public MainMethodRunner(String mainClass, String[] args) {		this.mainClassName = mainClass;		this.args = (args != null) ? args.clone() : null;	}	public void run() throws Exception {		// 根据名称加载 main 方法所在类的 Class 对象		Class<?> mainClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(this.mainClassName);		// 获取 main 方法		Method mainMethod = mainClass.getDeclaredMethod("main", String[].class);		// 执行这个 main 方法（反射）		mainMethod.invoke(null, new Object[] { this.args });	}}

这里就是通过反射调用你的 Spring Boot 应用的启动类的 main 方法

LaunchedURLClassLoader

org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader 是 spring-boot-loader 中自定义的类加载器，实现对 jar 包中 BOOT-INF/classes 目录下的类和 BOOT-INF/lib 下第三方 jar 包中的类的加载。

public class LaunchedURLClassLoader extends URLClassLoader {	static {		ClassLoader.registerAsParallelCapable();	}	/**	 * Create a new {@link LaunchedURLClassLoader} instance.	 * @param urls the URLs from which to load classes and resources	 * @param parent the parent class loader for delegation	 */	public LaunchedURLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {		super(urls, parent);	}	/**	 * 重写类加载器中加载 Class 类对象方法	 */	@Override	protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {		Handler.setUseFastConnectionExceptions(true);		try {			try {				// 判断这个类是否有对应的 Package 包				// 没有的话会从所有 URL（包括内部引入的所有 jar 包）中找到对应的 Package 包并进行设置				definePackageIfNecessary(name);			}			catch (IllegalArgumentException ex) {				// Tolerate race condition due to being parallel capable				if (getPackage(name) == null) {					// This should never happen as the IllegalArgumentException indicates					// that the package has already been defined and, therefore,					// getPackage(name) should not return null.					throw new AssertionError("Package " + name + " has already been defined but it could not be found");				}			}			// 加载对应的 Class 类对象			return super.loadClass(name, resolve);		}		finally {			Handler.setUseFastConnectionExceptions(false);		}	}	/**	 * Define a package before a {@code findClass} call is made. This is necessary to	 * ensure that the appropriate manifest for nested JARs is associated with the	 * package.	 * @param className the class name being found	 */	private void definePackageIfNecessary(String className) {		int lastDot = className.lastIndexOf(".");		if (lastDot >= 0) {			// 获取包名			String packageName = className.substring(0, lastDot);			// 没找到对应的 Package 包则进行解析			if (getPackage(packageName) == null) {				try {					// 遍历所有的 URL，从所有的 jar 包中找到这个类对应的 Package 包并进行设置					definePackage(className, packageName);				}				catch (IllegalArgumentException ex) {					// Tolerate race condition due to being parallel capable					if (getPackage(packageName) == null) {						// This should never happen as the IllegalArgumentException						// indicates that the package has already been defined and,						// therefore, getPackage(name) should not have returned null.						throw new AssertionError(								"Package " + packageName + " has already been defined but it could not be found");					}				}			}		}	}	private void definePackage(String className, String packageName) {		try {			AccessController.doPrivileged((PrivilegedExceptionAction<Object>) () -> {				// 把类路径解析成类名并加上 .class 后缀				String packageEntryName = packageName.replace(".", "/") + "/";				String classEntryName = className.replace(".", "/") + ".class";				// 遍历所有的 URL（包括应用内部引入的所有 jar 包）				for (URL url : getURLs()) {					try {						URLConnection connection = url.openConnection();						if (connection instanceof JarURLConnection) {							JarFile jarFile = ((JarURLConnection) connection).getJarFile();							// 如果这个 jar 中存在这个类名，且有对应的 Manifest							if (jarFile.getEntry(classEntryName) != null && jarFile.getEntry(packageEntryName) != null									&& jarFile.getManifest() != null) {								// 定义这个类对应的 Package 包								definePackage(packageName, jarFile.getManifest(), url);								return null;							}						}					}					catch (IOException ex) {						// Ignore					}				}				return null;			}, AccessController.getContext());		}		catch (java.security.PrivilegedActionException ex) {			// Ignore		}	}}

上面的代码就不一一讲述了，LaunchedURLClassLoader 重写了 ClassLoader 的 loadClass(String, boolean) 加载 Class 类对象方法，在加载对应的 Class 类对象之前新增了一部分逻辑，会尝试从 jar 包中定义 Package 包对象，这样就能加载到对应的 Class 类对象。

总结

Spring Boot 提供了 Maven 插件 spring-boot-maven-plugin，可以很方便的将我们的 Spring Boot 项目打成 jar 包，jar 包中主要分为三个模块：

  • BOOT-INF 目录，里面保存了我们自己 Spring Boot 项目编译后的所有文件，其中 classes 目录下面就是编译后的 .class 文件，包括项目中的配置文件等，lib 目录下就是我们引入的第三方依赖
  • META-INF 目录，通过 MANIFEST.MF 文件提供 jar 包的元数据，声明 jar 的启动类等信息。每个 Java jar 包应该是都有这个文件的，参考 Oracle 官方对于 jar 的说明，里面有一个 Main-Class 配置用于指定启动类
  • org.springframework.boot.loader 目录，也就是 Spring Boot 的 spring-boot-loader 子模块，它就是 java -jar xxx.jar 启动 Spring Boot 项目的秘密所在，上面的 Main-Class 指定的就是里面的一个类

通过 java -jar 启动应用时，根据 Main-Class 配置会调用 org.springframework.boot.loader.JarLauncher 的main(String[]) 方法；其中会先创建一个自定义的 ClassLoader 类加载器，可从BOOT-INF目录下加载出我们 Spring Boot 应用的 Class 类对象，包括依赖的第三方 jar 包中的 Class 类对象；然后根据 Start-Class 配置调用我们 Spring Boot 应用启动类的 main(String[]) 方法（反射），这样也就启动了应用，至于我们的 main(String[]) 方法中做了哪些事情，也就是后续所讲的内容。

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