經過 GraalVM 將 Java 程序編譯成本地機器碼！

時間 2020-12-02

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原文原文鏈接

前言

2018年4月，Oracle Labs新公開了一項黑科技：Graal VM。java

這是一個在HotSpot虛擬機基礎上加強而成的跨語言全棧虛擬機，能夠做爲「任何語言」的運行平臺使用。python

如今網絡上關於 Graal VM 的相關資料並很少，仍是要看官方文檔。本文旨在簡要介紹：git

什麼是 Graal VM？
Graal VM 有什麼好處？
Graal VM 有什麼缺點？
Graal VM 的工做原理是什麼？
在 macOS 上安裝 Graal VM
將基於 Spring Boot 的 Java 應用程序編譯成本地應用程序

思惟導圖

下面是一張 Graal VM 的簡要思惟導圖。github

一篇通俗易懂的文章：GraalVM：微服務時代的Java。web

什麼是 Graal VM

Graal VM 被官方稱爲「Universal VM」和「Polyglot VM」，是一個在HotSpot虛擬機基礎上加強而成的跨語言全棧虛擬機，口號是「Run Programs Faster Anywhere」。能夠在 Graal VM 上運行「任何語言」，這些語言包括：spring

基於 Java 虛擬機的語言：Java、Scala、Groovy、Kotlin 等；
基於 LLVM 的語言：C、C++、Rust；
其餘語言：JavaScript、Ruby、Python和R語言等。

Graal VM能夠無額外開銷地混合使用這些編程語言，支持不一樣語言中混用對方的接口和對象，也可以支持這些語言使用已經編寫好的本地庫文件。編程

Graal VM 的好處

具體可參考官方文檔：Why GraalVM？ruby

我認爲最重要的特性是 Ahead-of-Time Compilation。Substrate VM 是一個在 Graal VM 0.20 版本里的極小型的運行時環境，包括了獨立的異常處理、同步調度、線程管理、內存管理（垃圾收集）和JNI訪問等組件。Substrate VM 還包含了一個本地鏡像的構造器（Native Image Generator），用戶能夠經過本地鏡像構造器構建基於構建機器的可執行文件。bash

構造器採用指針分析（Points-To Analysis）技術，從用戶提供的程序入口出發，搜索全部可達的代碼。在搜索的同時，它還將執行初始化代碼，並在最終生成可執行文件時，將已初始化的堆保存至一個堆快照之中。網絡

Substrate VM就能夠直接從目標程序開始運行，而無須重複進行Java虛擬機的初始化過程。但相應地，原理上也決定了Substrate VM必需要求目標程序是徹底封閉的，即不能動態加載其餘編譯期不可知的代碼和類庫。基於這個假設，Substrate VM才能探索整個編譯空間，並經過靜態分析推算出全部虛方法調用的目標方法。

使 Java 適應原生

以往單個服務須要 7*24 小時不間斷運行，須要單機高可用，此時 Java 服務就很適合。可是 Java 應用程序都須要運行在上百兆的 JRE 上，在微服務上就並不合適。

同時在微服務中，應用能夠隨時拆分，每一個應用並不須要很大的內存，而是須要快速啓動、隨時更新，也可能不須要長時間運行。Java 應用程序原本啓動就很慢，同時須要充分預熱纔可以獲取高性能。

GraalVM 提早編譯就提供了一種解決方案，官方給出使用了 GraalVm 後啓動時間可以提升 50 倍，內存有 5 倍的降低。

Graal VM 的缺點

Java 語言在微服務天生就有劣勢，這是由於 Java 誕生之初的口號就是「一次編寫，處處運行」。這個口號已經植入 Java 的基因中。若是想改變這些（真的要拿Java的劣勢去和別的語言的優點相比），會有不少困難：

Java 語言的反射機制，使得在編譯期生成可執行文件很困難。由於經過反射機制能夠在運行期間動態調用API接口，這些在編譯期是沒法感知的。除非放棄反射機制，或者在編譯時提供配置文件供反射調用。
ASM、CGLIB、Javassist字節碼庫會在運行時生成、修改字節碼，這些也無法經過 AOT 編譯成原生代碼。好比 Spring 的依賴注入就使用了 CGLIB 加強。Spring 已經在新版本中適配了 GraalVM，能夠關閉 CGLIB。
放棄 HotSpot 虛擬機自己的內部借款，由於在本地鏡像中，連 HotSpot 自己都被消滅了。
啓動時間、內存使用確實有大幅度優化，可是對於長時間運行的大型應用，未必有 HotSpot 的 Java 應用程序速度快。

Graal VM 的工做原理

Graal VM的基本工做原理是將這些語言的源代碼（例如JavaScript）或源代碼編譯後的中間格式（例如LLVM字節碼）經過解釋器轉換爲能被Graal VM接受的中間表示（Intermediate Representation，IR），譬如設計一個解釋器專門對LLVM輸出的字節碼進行轉換來支持C和C++語言，這個過程稱爲「程序特化」（Specialized，也常稱爲Partial Evaluation）。

Graal VM提供了Truffle工具集來快速構建面向一種新語言的解釋器，並用它構建了一個稱爲Sulong的高性能LLVM字節碼解釋器。

在 macOS 上安裝 Graal VM

Linux、Windows 等其餘平臺能夠參考 Install GraalVM。因爲我使用 macOS，本篇文章介紹如何在 macOS 上安裝 Graal VM，基於 OpenJDK 11 的 GraalVM Community Edition。

安裝 Graal VM

macOS 上的 GraalVM 社區版是 tar.gz 文件，JDK 的安裝目錄是：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/<graalvm>/Contents/Home

x86 64位的 macOS 安裝步驟以下：

在 GraalVM Releases repository on GitHub 上找到 `graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz

` 下載。

解壓縮

tar -xvf graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz

將文件夾移動到 /Library/Java/JavaVirtualMachines 目錄下（須要使用 sudo）。

sudo mv graalvm-ce-java11-20.1.0 /Library/Java/JavaVirtualMachines

檢測是否安裝成功，能夠運行命令：

/usr/libexec/java_home -V

運行結果爲：

Matching Java Virtual Machines (2):
    11.0.7, x86_64:    "GraalVM CE 20.1.0"    /Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home
    1.8.0_201, x86_64:    "Java SE 8"    /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_201.jdk/Contents/Home

/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home

因爲機器上可能存在多個 JDK，須要配置運行環境。

將 GraalVM bin 目錄加入 PATH 環境變量。

export PATH=/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home/bin:$PATH

設置 JAVA_HOME 環境變量。

export JAVA_HOME=/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home

注意：可能須要修改 bashc 配置文件。

安裝 GraalVM 組件

經過上述步驟，已經安裝好了 GraalVM 的基礎組件，若是須要額外支持 Python、R 等語言，須要使用 gu 組件。

gu install ruby
gu install r
gu install python
gu install wasm

安裝 GraalVM Native Image，運行命令：

gu install native-image

安裝 LLVM toolchain 組件，運行命令：

gu install llvm-toolchain

將基於 Spring Boot 的 Java 應用程序編譯成本地應用程序

能夠參考 GitHub 的 spring-boot-graalvm 項目，這個項目裏詳細列出了 GraalVM 編譯 Spring Boot Java 應用程序可能出現的全部問題，並對比了 Java 應用啓動與編譯成本地可執行的 Java 程序。

Spring與Graal VM共同維護的在Spring Graal Native項目已經提供了大多數Spring Boot組件的配置信息（以及一些須要在代碼層面處理的Patch），咱們只須要簡單依賴該工程便可。這樣 Graal VM 就能獲取編譯期的反射、動態代理等配置。咱們只須要簡單依賴工程便可。

須要在 pom.xml 中增長依賴：

<dependency>
    <groupId>org.springframework</groupId>
    <artifactId>spring-context-indexer</artifactId>
    <optional>true</optional>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
    <artifactId>spring-graalvm-native</artifactId>
    <version>0.7.1</version>
</dependency>

指定啓動類的路徑：

<properties>
    <start-class>com.yano.workflow.WorkflowApplication</start-class>
</properties>

配置一個獨立的 profile，在編譯時經過 native-image-maven-plugin 插件將其編譯成本地可執行文件。

<profiles>
    <profile>
        <id>native</id>
        <build>
            <plugins>
                <plugin>
                    <groupId>org.graalvm.nativeimage</groupId>
                    <artifactId>native-image-maven-plugin</artifactId>
                    <version>20.1.0</version>
                    <configuration>
                        <buildArgs>-J-Xmx4G -H:+TraceClassInitialization
                            -H:+ReportExceptionStackTraces
                            -Dspring.graal.remove-unused-autoconfig=true
                            -Dspring.graal.remove-yaml-support=true
                        </buildArgs>
                        <imageName>${project.artifactId}</imageName>
                    </configuration>
                    <executions>
                        <execution>
                            <goals>
                                <goal>native-image</goal>
                            </goals>
                            <phase>package</phase>
                        </execution>
                    </executions>
                </plugin>
                <plugin>
                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                </plugin>
            </plugins>
        </build>
    </profile>
</profiles>

該插件在 Maven 中央倉庫不存在，須要指定 pluginRepositories 和 repositories：

<repositories>
    <repository>
        <id>spring-milestones</id>
        <name>Spring Milestones</name>
        <url>https://repo.spring.io/milestone</url>
    </repository>
</repositories>
<pluginRepositories>
    <pluginRepository>
        <id>spring-milestones</id>
        <name>Spring Milestones</name>
        <url>https://repo.spring.io/milestone</url>
    </pluginRepository>
</pluginRepositories>

Graal VM不支持CGLIB，只能使用JDK動態代理，因此應當把Spring對普通類的Bean加強給關閉掉。Spring Boot 的版本要大於等於 2.2，SpringBootApplication 註解上將 proxyBeanMethods 參數設置爲 false。

@SpringBootApplication(proxyBeanMethods = false)
public class SpringBootHelloApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringBootHelloApplication.class, args);
    }

}

在命令行經過 maven 打包項目：

mvn -Pnative clean package

最終在 target 目錄可以看到可執行文件，大概在 50M 左右，相比 fat jar 爲 17M。

java -jar target/spring-boot-graal-0.0.1-SNAPSHOT.jar

  .   ____          _            __ _ _
 /\\ / ___'_ __ _ _(_)_ __  __ _ \ \ \ \
( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \
 \\/  ___)| |_)| | | | | || (_| |  ) ) ) )
  '  |____| .__|_| |_|_| |_\__, | / / / /
 =========|_|==============|___/=/_/_/_/
 :: Spring Boot ::             (v2.3.0.M4)

2020-04-30 15:40:21.187  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Starting SpringBootHelloApplication v0.0.1-SNAPSHOT on PikeBook.fritz.box with PID 40149 (/Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm/target/spring-boot-graal-0.0.1-SNAPSHOT.jar started by jonashecht in /Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm)
2020-04-30 15:40:21.190  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : No active profile set, falling back to default profiles: default
2020-04-30 15:40:22.280  INFO 40149 --- [           main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer  : Netty started on port(s): 8080
2020-04-30 15:40:22.288  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Started SpringBootHelloApplication in 1.47 seconds (JVM running for 1.924)

可以經過命令行直接運行程序，啓動速度賊快。對比 Hello World web 普通應用程序，啓動時間是 1.47s，佔用內存 491 MB。

而編譯成本地代碼的 Spring Boot 程序，啓動速度是 0.078s，佔用內存 30 MB。

./spring-boot-graal

  .   ____          _            __ _ _
 /\\ / ___'_ __ _ _(_)_ __  __ _ \ \ \ \
( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \
 \\/  ___)| |_)| | | | | || (_| |  ) ) ) )
  '  |____| .__|_| |_|_| |_\__, | / / / /
 =========|_|==============|___/=/_/_/_/
 :: Spring Boot ::

2020-05-01 10:25:31.200  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Starting SpringBootHelloApplication on PikeBook.fritz.box with PID 42231 (/Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm/target/native-image/spring-boot-graal started by jonashecht in /Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm/target/native-image)
2020-05-01 10:25:31.200  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : No active profile set, falling back to default profiles: default
2020-05-01 10:25:31.241  WARN 42231 --- [           main] io.netty.channel.DefaultChannelId        : Failed to find the current process ID from ''; using a random value: 635087100
2020-05-01 10:25:31.245  INFO 42231 --- [           main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer  : Netty started on port(s): 8080
2020-05-01 10:25:31.245  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Started SpringBootHelloApplication in 0.078 seconds (JVM running for 0.08)