Spring Boot 3.0系列【2】部署篇之使用GraalVM构建原生镜像

有道无术，术尚可求，有术无道，止于术。

本系列Spring Boot版本2.7.0

概述

本篇介绍如何使用GraalVM构建原生镜像。

在开发Spring Boot 应用或者其他JAVA程序的过程中，启动慢、内存占用大是比较头疼的问题，往往需要更多的资源去部署，成本大幅提高。为了优化上述问题，常常使用优化程序、使用更小消耗的JVM、使用容器等措施。

现在有一个叫做Native Image（原生镜像）的技术，可以将JAVA应用的字节码直接编译为本地机器码，打包成本地可执行文件，运行应用时无需Java虚拟机进行动态编译，因此启动速度很快、内存消耗也很低。

JIT & AOT

在正式介绍Native Image之前，我们需要了解下JIT 和 AOT的相关概念。

通常程序有两种运行方式：

• 动态解释：解释执行，运行时翻译为机器码。
• 静态编译：程序在执行前全部被翻译为机器码，可以直接运行二进制文件。

JIT （动态编译）

JIT是Just-in-time的缩写，一般称为即时编译或动态编译。Java源代码在运行的过程中，类加载器将需要运行的字节码处理并分配到内存中，然后JVM执行引擎需要调用解释器将字节码翻译为计算机能执行的机器码，最后执行机器指令。

需要解释执行势必会造成运行效率降低，为了提高执行速度，JAVA引入了 JIT 编译器。当某个方法或代码块运行特别频繁的时候，JVM会将其标注为热点代码, JIT 编译器会将热点代码编译成本地机器相关的机器码，优化后进行缓存，下次执行这些代码时，直接调用缓存中的机器码，无需重复解释，在一定程度上提高了执行速度。

AOT（静态编译）

JAVA一直在努力提高启动和运行时性能，希望其能够在更广泛的场景达到或接近本地语言的性能。虽然引入了JIT 编译器，但是需要花费较长时间才能热身完，而且有些Java方法还没法编译，性能方面也会下降。

AOT是Ahead-of-Time的缩写，一般称为静态编译。程序在执行前全部被翻译为机器码，可以直接运行二进制文件，比如C++就是使用静态编译。

在 JDK 9 中， AOT作为实验特性被引入，只支持 java.base 模块可以编译成AOT库，使用jaotc工具将Java类文件编译为本机代码，避免了 JIT 预热等各方面的开销。但是实际运行效果不尽人意，最终在JDK 16中被删除。

在JDK 17中，也移除了实验性的AOT与JIT，彻底拥抱GraalVM实现静态编译。

在当前微服务、云原生盛行的时代，JAVA 程序显得越来越臃肿，虽然使用AOT也有诸多缺点，比如打包时间长、舍弃平台无关性、反射、JNI、动态代理的分析能力有限。但是JAVA 必定会向AOT发展，否则在云原生时代，可以能被其他后起之秀慢慢蚕食市场。

GraalVM

简介

官网地址
GitHub地址

GraalVM是一个高性能跨语言虚拟机，其目的是提升Java和其他JVM语言编写程序的执行速度，同时也为JavaScript、Python和许多其他流行语言提供运行时环境。起始于 2011 年 Oracle 实验室的一个研究项目。
GraalVM三大核心：

• 为 Java 虚拟机提供高性能的JIT编译器
• 高性能的AOT编译器，提前将 Java 字节码编译为本机机器码。
• 多种语言的支持，GraalVM 的Truffle语言实施框架可与 GraalVM 编译器协作，以卓越性能运行 JavaScript、Python、Ruby 以及 JVM 支持的其他语言。

GraalVM提供了两种运行Java应用程序的方法：

• 在HotSpot JVM上使用实时JIT编译器
• 使用AOT将Java应用程序编译的本地可执行文件

社区版和企业版的一些区别：

• 社区版基于Open JDK，由社区组织维护
• 社区版无定制的高级编译器优化
• 在原生镜像中，社区版无压缩指针、配置文件引导优化、G1垃圾收集

GraalVM 的优点：

• 帮助开发人员显著提升应用的性能效率，同时降低IT成本。

• 构建现代 Java 应用，通过微服务和容器来满足云原生需求，微服务是执行单一功能的小型、独立微应用。在现实中，业务应用通常要使用数百项服务，每项服务都需要快速启动，以尽可能降低延迟和云使用成本。

• 可以构建一个各种编程语言基于单一 JVM 运行的生态系统，提高开发效率。

GraalVM 的缺点：

• 舍弃了 Java的平台无关性，编译为本地执行文件，不同操作系统的服务器，编译出来的文件不一样，比如 Windows 编译出来的文件，并不能在Linux 系统运行，也就让JAVA丢失了平台无关性。JAVA设计之初，一次编译、到处运行是其最重要的特性，但是现在容器技术的出现，该特性显得很牵强。
• 反射机制、CGLIB动态代理这些和字节码打交道的机制，是在程序运行时动态调用，无法经过 AOT 编译成原生代码，构建时还需要提供各种配置文件去适配。
• 目前该技术并未大面积使用，并不成熟。

运行模式

GraalVM提供了多种操作模式。

1、JVM运行时模式

在HotSpot JVM上运行程序时，默认使用GraalVM编译器作为顶级JIT编译器。在运行时，应用程序在JVM上正常加载和执行。JVM将字节码传递给编译器，编译器将其编译为机器代码并将其返回给JVM。

2、原生镜像

Native Image是一种创新技术，它将Java代码编译为独立的本地可执行文件或本地共享库。在构建本机可执行文件期间，处理的Java字节码包括所有应用程序类、依赖项、依赖于第三方的库以及所需的任何JDK类。生成的本地可执行文件特定于每个操作系统和机器体系结构，并不需要JVM。

从当前GraalVM 22.1支持的功能图可以看出，Native Image可以在AMD6、AArch64等服务器平台生成环境使用。

3、Java on Truffle

Java on Truffle 是一个 JVM 实现，它使用了 Truffle 多语言执行框架。提供了Java虚拟机所有的核心组件，实现了与Java运行时环境库相同的API，并重用GraalVM中的所有JAR和本机库。支持多语言互操作，例如，JavaScript 程序可以运行Ruby方法，无需制作副本就能共享数值。基于JVM运行时，Truffle 能够与GraalVM编译器协作，将受支持语言编译为本机机器码，从而优化性能。

Native Image（原生镜像）

了解了GraalVM之后，我们着重了解并使用Native Image技术将一个Spring Boot 3项目编译为一个可执行二进制文件。

Native Image：是一种将Java代码提前编译为二进制文件的技术，即本机可执行文件。本机可执行文件只包含运行时所需的代码，即应用程序类、标准库类、语言运行时以及来自JDK的静态链接本机代码。

Native Image处理应用程序类和其他元数据，以创建特定操作系统和体系结构的二进制文件。首先，本地镜像工具对代码执行静态分析，以确定应用程序运行时可访问的类和方法。其次，它将类、方法和资源编译成二进制文件。整个过程被称为构建，以明确区分它与Java源代码到字节码的编译。

Native Image生成的可执行文件优点:

• 使用虚拟机所需资源的一小部分，运行时更低的内存消耗
• 以毫秒为单位启动
• 立即提供最高性能，无需预热
• 可以打包成轻量级容器映像，以实现快速高效的部署
• 更不容易遭到破解、攻击

Spring Native

Spring Native是Spring 社区的一个开源框架，可以通过GraalVM将Spring应用程序编译成原生镜像。

但是在GitHub可以看到，该项目已经关闭了：

官方推荐使用Spring Boot 3+GraalVM官方构建工具实现原生镜像构建，所以要注意Spring Native已经没必要再去研究及使用了

案例演示

官方环境要求文档

首先需要安装GraalVM、native-image组件，C++环境，最好不要在Windows 上使用，可以看到Spring Boot官网给出Windows 上使用的注意事项，就算按步骤做了~ 也有可能各种报错，所以切勿尝试😁😁😁

1. 安装 GraalVM Native-image C++环境

下载地址

选择系统对应的GraalVM、Native-image安装包并下载，这里我使用的是Linux Ubuntu系统。


将文件上传到Linux 服务器：

执行以下命令安装GraalVM

# 解压tar -zxvf graalvm-ce-java17-linux-amd64-22.3.1.tar.gz 
# 添加环境变量
vim /etc/profile
# 添加内容
JAVA_HOME=/root/graalvm-ce-java17-22.3.1/
CLASSPATH=$JAVA_HOME/lib/
PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin
export PATH JAVA_HOME CLASSPATH
# 环境变量生效
source /etc/profile
# 查看
java -version

执行以下命令安装native-image

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

执行以下命令安装C++环境：

# Ubuntu 系统
sudo apt-get install build-essential libz-dev zlib1g-dev

2. 项目测试

准备一个Spring Boot 3.0.3项目：

添加GraalVM官方提供的构建插件：

    <build><plugins><plugin><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId></plugin><!--原生镜像构建插件--><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服务器上安装Maven，将项目代码上传到服务器（内存至少6G，太少会卡住），执行mvn -Pnative -DskipTests native:compile编译，时间还是蛮久的，虽然这个项目比较空。

编译后在target下生成可执行文件，直接使用./native-image-demo就可运行，可以看到启动时间只有几十毫秒：