有道無術(shù)，術(shù)尚可求，有術(shù)無道，止于術(shù)。

本系列Spring Boot版本2.7.0

概述

本篇介紹如何使用GraalVM構(gòu)建原生鏡像。

在開發(fā)Spring Boot 應(yīng)用或者其他JAVA程序的過程中，啟動(dòng)慢、內(nèi)存占用大是比較頭疼的問題，往往需要更多的資源去部署，成本大幅提高。為了優(yōu)化上述問題，常常使用優(yōu)化程序、使用更小消耗的JVM、使用容器等措施。

現(xiàn)在有一個(gè)叫做Native Image（原生鏡像）的技術(shù)，可以將JAVA應(yīng)用的字節(jié)碼直接編譯為本地機(jī)器碼，打包成本地可執(zhí)行文件，運(yùn)行應(yīng)用時(shí)無需Java虛擬機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編譯，因此啟動(dòng)速度很快、內(nèi)存消耗也很低。

JIT & AOT

在正式介紹Native Image之前，我們需要了解下JIT 和 AOT的相關(guān)概念。

通常程序有兩種運(yùn)行方式：

• 動(dòng)態(tài)解釋：解釋執(zhí)行，運(yùn)行時(shí)翻譯為機(jī)器碼。
• 靜態(tài)編譯：程序在執(zhí)行前全部被翻譯為機(jī)器碼，可以直接運(yùn)行二進(jìn)制文件。

JIT （動(dòng)態(tài)編譯）

JIT是Just-in-time的縮寫，一般稱為即時(shí)編譯或動(dòng)態(tài)編譯。Java源代碼在運(yùn)行的過程中，類加載器將需要運(yùn)行的字節(jié)碼處理并分配到內(nèi)存中，然后JVM執(zhí)行引擎需要調(diào)用解釋器將字節(jié)碼翻譯為計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的機(jī)器碼，最后執(zhí)行機(jī)器指令。

需要解釋執(zhí)行勢必會(huì)造成運(yùn)行效率降低，為了提高執(zhí)行速度，JAVA引入了 JIT 編譯器。當(dāng)某個(gè)方法或代碼塊運(yùn)行特別頻繁的時(shí)候，JVM會(huì)將其標(biāo)注為熱點(diǎn)代碼, JIT 編譯器會(huì)將熱點(diǎn)代碼編譯成本地機(jī)器相關(guān)的機(jī)器碼，優(yōu)化后進(jìn)行緩存，下次執(zhí)行這些代碼時(shí)，直接調(diào)用緩存中的機(jī)器碼，無需重復(fù)解釋，在一定程度上提高了執(zhí)行速度。

AOT（靜態(tài)編譯）

JAVA一直在努力提高啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)性能，希望其能夠在更廣泛的場景達(dá)到或接近本地語言的性能。雖然引入了JIT 編譯器，但是需要花費(fèi)較長時(shí)間才能熱身完，而且有些Java方法還沒法編譯，性能方面也會(huì)下降。

AOT是Ahead-of-Time的縮寫，一般稱為靜態(tài)編譯。程序在執(zhí)行前全部被翻譯為機(jī)器碼，可以直接運(yùn)行二進(jìn)制文件，比如C++就是使用靜態(tài)編譯。

在 JDK 9 中， AOT作為實(shí)驗(yàn)特性被引入，只支持 java.base 模塊可以編譯成AOT庫，使用jaotc工具將Java類文件編譯為本機(jī)代碼，避免了 JIT 預(yù)熱等各方面的開銷。但是實(shí)際運(yùn)行效果不盡人意，最終在JDK 16中被刪除。

在JDK 17中，也移除了實(shí)驗(yàn)性的AOT與JIT，徹底擁抱GraalVM實(shí)現(xiàn)靜態(tài)編譯。

在當(dāng)前微服務(wù)、云原生盛行的時(shí)代，JAVA 程序顯得越來越臃腫，雖然使用AOT也有諸多缺點(diǎn)，比如打包時(shí)間長、舍棄平臺無關(guān)性、反射、JNI、動(dòng)態(tài)代理的分析能力有限。但是JAVA 必定會(huì)向AOT發(fā)展，否則在云原生時(shí)代，可以能被其他后起之秀慢慢蠶食市場。

GraalVM

簡介

官網(wǎng)地址
GitHub地址

GraalVM是一個(gè)高性能跨語言虛擬機(jī)，其目的是提升Java和其他JVM語言編寫程序的執(zhí)行速度，同時(shí)也為JavaScript、Python和許多其他流行語言提供運(yùn)行時(shí)環(huán)境。起始于 2011 年 Oracle 實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究項(xiàng)目。
GraalVM三大核心：

• 為 Java 虛擬機(jī)提供高性能的JIT編譯器
• 高性能的AOT編譯器，提前將 Java 字節(jié)碼編譯為本機(jī)機(jī)器碼。
• 多種語言的支持，GraalVM 的Truffle語言實(shí)施框架可與 GraalVM 編譯器協(xié)作，以卓越性能運(yùn)行 JavaScript、Python、Ruby 以及 JVM 支持的其他語言。

GraalVM提供了兩種運(yùn)行Java應(yīng)用程序的方法：

• 在HotSpot JVM上使用實(shí)時(shí)JIT編譯器
• 使用AOT將Java應(yīng)用程序編譯的本地可執(zhí)行文件

社區(qū)版和企業(yè)版的一些區(qū)別：

• 社區(qū)版基于Open JDK，由社區(qū)組織維護(hù)
• 社區(qū)版無定制的高級編譯器優(yōu)化
• 在原生鏡像中，社區(qū)版無壓縮指針、配置文件引導(dǎo)優(yōu)化、G1垃圾收集

GraalVM 的優(yōu)點(diǎn)：

• 幫助開發(fā)人員顯著提升應(yīng)用的性能效率，同時(shí)降低IT成本。

• 構(gòu)建現(xiàn)代 Java 應(yīng)用，通過微服務(wù)和容器來滿足云原生需求，微服務(wù)是執(zhí)行單一功能的小型、獨(dú)立微應(yīng)用。在現(xiàn)實(shí)中，業(yè)務(wù)應(yīng)用通常要使用數(shù)百項(xiàng)服務(wù)，每項(xiàng)服務(wù)都需要快速啟動(dòng)，以盡可能降低延遲和云使用成本。

• 可以構(gòu)建一個(gè)各種編程語言基于單一 JVM 運(yùn)行的生態(tài)系統(tǒng)，提高開發(fā)效率。

GraalVM 的缺點(diǎn)：

• 舍棄了 Java的平臺無關(guān)性，編譯為本地執(zhí)行文件，不同操作系統(tǒng)的服務(wù)器，編譯出來的文件不一樣，比如 Windows 編譯出來的文件，并不能在Linux 系統(tǒng)運(yùn)行，也就讓JAVA丟失了平臺無關(guān)性。JAVA設(shè)計(jì)之初，一次編譯、到處運(yùn)行是其最重要的特性，但是現(xiàn)在容器技術(shù)的出現(xiàn)，該特性顯得很牽強(qiáng)。
• 反射機(jī)制、CGLIB動(dòng)態(tài)代理這些和字節(jié)碼打交道的機(jī)制，是在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)用，無法經(jīng)過 AOT 編譯成原生代碼，構(gòu)建時(shí)還需要提供各種配置文件去適配。
• 目前該技術(shù)并未大面積使用，并不成熟。

運(yùn)行模式

GraalVM提供了多種操作模式。

1、JVM運(yùn)行時(shí)模式

在HotSpot JVM上運(yùn)行程序時(shí)，默認(rèn)使用GraalVM編譯器作為頂級JIT編譯器。在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序在JVM上正常加載和執(zhí)行。JVM將字節(jié)碼傳遞給編譯器，編譯器將其編譯為機(jī)器代碼并將其返回給JVM。

2、原生鏡像

Native Image是一種創(chuàng)新技術(shù)，它將Java代碼編譯為獨(dú)立的本地可執(zhí)行文件或本地共享庫。在構(gòu)建本機(jī)可執(zhí)行文件期間，處理的Java字節(jié)碼包括所有應(yīng)用程序類、依賴項(xiàng)、依賴于第三方的庫以及所需的任何JDK類。生成的本地可執(zhí)行文件特定于每個(gè)操作系統(tǒng)和機(jī)器體系結(jié)構(gòu)，并不需要JVM。

從當(dāng)前GraalVM 22.1支持的功能圖可以看出，Native Image可以在AMD6、AArch64等服務(wù)器平臺生成環(huán)境使用。

3、Java on Truffle

Java on Truffle 是一個(gè) JVM 實(shí)現(xiàn)，它使用了 Truffle 多語言執(zhí)行框架。提供了Java虛擬機(jī)所有的核心組件，實(shí)現(xiàn)了與Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境庫相同的API，并重用GraalVM中的所有JAR和本機(jī)庫。支持多語言互操作，例如，JavaScript 程序可以運(yùn)行Ruby方法，無需制作副本就能共享數(shù)值?；?code>JVM運(yùn)行時(shí)，Truffle 能夠與GraalVM編譯器協(xié)作，將受支持語言編譯為本機(jī)機(jī)器碼，從而優(yōu)化性能。

Native Image（原生鏡像）

了解了GraalVM之后，我們著重了解并使用Native Image技術(shù)將一個(gè)Spring Boot 3項(xiàng)目編譯為一個(gè)可執(zhí)行二進(jìn)制文件。

Native Image：是一種將Java代碼提前編譯為二進(jìn)制文件的技術(shù)，即本機(jī)可執(zhí)行文件。本機(jī)可執(zhí)行文件只包含運(yùn)行時(shí)所需的代碼，即應(yīng)用程序類、標(biāo)準(zhǔn)庫類、語言運(yùn)行時(shí)以及來自JDK的靜態(tài)鏈接本機(jī)代碼。

Native Image處理應(yīng)用程序類和其他元數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建特定操作系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制文件。首先，本地鏡像工具對代碼執(zhí)行靜態(tài)分析，以確定應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)可訪問的類和方法。其次，它將類、方法和資源編譯成二進(jìn)制文件。整個(gè)過程被稱為構(gòu)建，以明確區(qū)分它與Java源代碼到字節(jié)碼的編譯。

Native Image生成的可執(zhí)行文件優(yōu)點(diǎn):

• 使用虛擬機(jī)所需資源的一小部分，運(yùn)行時(shí)更低的內(nèi)存消耗
• 以毫秒為單位啟動(dòng)
• 立即提供最高性能，無需預(yù)熱
• 可以打包成輕量級容器映像，以實(shí)現(xiàn)快速高效的部署
• 更不容易遭到破解、攻擊

Spring Native

Spring Native是Spring 社區(qū)的一個(gè)開源框架，可以通過GraalVM將Spring應(yīng)用程序編譯成原生鏡像。

但是在GitHub可以看到，該項(xiàng)目已經(jīng)關(guān)閉了：

官方推薦使用Spring Boot 3+GraalVM官方構(gòu)建工具實(shí)現(xiàn)原生鏡像構(gòu)建，所以要注意Spring Native已經(jīng)沒必要再去研究及使用了

案例演示

官方環(huán)境要求文檔

首先需要安裝GraalVM、native-image組件，C++環(huán)境，最好不要在Windows 上使用，可以看到Spring Boot官網(wǎng)給出Windows 上使用的注意事項(xiàng)，就算按步驟做了~ 也有可能各種報(bào)錯(cuò)，所以切勿嘗試😁😁😁

1. 安裝 GraalVM Native-image C++環(huán)境

下載地址

選擇系統(tǒng)對應(yīng)的GraalVM、Native-image安裝包并下載，這里我使用的是Linux Ubuntu系統(tǒng)。


將文件上傳到Linux 服務(wù)器：

執(zhí)行以下命令安裝GraalVM

# 解壓tar -zxvf graalvm-ce-java17-linux-amd64-22.3.1.tar.gz 
# 添加環(huán)境變量
vim /etc/profile
# 添加內(nèi)容
JAVA_HOME=/root/graalvm-ce-java17-22.3.1/
CLASSPATH=$JAVA_HOME/lib/
PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin
export PATH JAVA_HOME CLASSPATH
# 環(huán)境變量生效
source /etc/profile
# 查看
java -version

執(zhí)行以下命令安裝native-image

# 安裝
gu -L install native-image-installable-svm-java17-linux-amd64-22.3.1.jar
# 查看
gu list

執(zhí)行以下命令安裝C++環(huán)境：

# Ubuntu 系統(tǒng)
sudo apt-get install build-essential libz-dev zlib1g-dev

2. 項(xiàng)目測試

準(zhǔn)備一個(gè)Spring Boot 3.0.3項(xiàng)目：

添加GraalVM官方提供的構(gòu)建插件：

    <build><plugins><plugin><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId></plugin><!--原生鏡像構(gòu)建插件--><plugin><groupId>org.graalvm.buildtools</groupId><artifactId>native-maven-plugin</artifactId><version>0.9.20</version><extensions>true</extensions><executions><execution><id>build-native</id><goals><goal>compile-no-fork</goal></goals><phase>package</phase></execution><execution><id>test-native</id><goals><goal>test</goal></goals><phase>test</phase></execution></executions><configuration><mainClass>com.pearl.nativeimagedemo.NativeImageDemoApplication</mainClass><imageName>native-image-demo</imageName><buildArgs><buildArg>--verbose</buildArg></buildArgs></configuration></plugin></plugins></build>

在Linux服務(wù)器上安裝Maven，將項(xiàng)目代碼上傳到服務(wù)器（內(nèi)存至少6G，太少會(huì)卡住），執(zhí)行mvn -Pnative -DskipTests native:compile編譯，時(shí)間還是蠻久的，雖然這個(gè)項(xiàng)目比較空。

編譯后在target下生成可執(zhí)行文件，直接使用./native-image-demo就可運(yùn)行，可以看到啟動(dòng)時(shí)間只有幾十毫秒：