前言

2018年4月，Oracle Labs新公开了一项黑科技：Graal VM。

这是一个在HotSpot虚拟机根底上加强而成的跨语言全栈虚拟机，能够作为“任何语言”的运行平台应用。

当初网络上对于 Graal VM 的相干材料并不多，还是要看官网文档。本文旨在简要介绍：

  • 什么是 Graal VM？
  • Graal VM 有什么益处？
  • Graal VM 有什么毛病？
  • Graal VM 的工作原理是什么？
  • 在 macOS 上装置 Graal VM
  • 将基于 Spring Boot 的 Java 应用程序编译成本地应用程序

思维导图

上面是一张 Graal VM 的简要思维导图。

一篇通俗易懂的文章：GraalVM：微服务时代的Java。

什么是 Graal VM

Graal VM 被官网称为“Universal VM”和“Polyglot VM”，是一个在HotSpot虚拟机根底上加强而成的跨语言全栈虚拟机，口号是“Run Programs Faster Anywhere”。能够在 Graal VM 上运行“任何语言”，这些语言包含：

  • 基于 Java 虚拟机的语言：Java、Scala、Groovy、Kotlin 等；
  • 基于 LLVM 的语言：C、C++、Rust；
  • 其余语言：JavaScript、Ruby、Python和R语言等。

Graal VM能够无额定开销地混合应用这些编程语言，反对不同语言中混用对方的接口和对象，也可能反对这些语言应用曾经编写好的本地库文件。

Graal VM 的益处

具体可参考官网文档：Why GraalVM？

我认为最重要的个性是 Ahead-of-Time Compilation。Substrate VM 是一个在 Graal VM 0.20 版本里的极小型的运行时环境，包含了独立的异样解决、同步调度、线程治理、内存治理（垃圾收集）和JNI拜访等组件。Substrate VM 还蕴含了一个本地镜像的结构器（Native Image Generator），用户能够通过本地镜像结构器构建基于构建机器的可执行文件。

结构器采纳指针剖析（Points-To Analysis）技术，从用户提供的程序入口登程，搜寻所有可达的代码。在搜寻的同时，它还将执行初始化代码，并在最终生成可执行文件时，将已初始化的堆保留至一个堆快照之中。

Substrate VM就能够间接从目标程序开始运行，而无须反复进行Java虚拟机的初始化过程。但相应地，原理上也决定了Substrate VM必须要求目标程序是齐全关闭的，即不能动静加载其余编译期不可知的代码和类库。基于这个假如，Substrate VM能力摸索整个编译空间，并通过动态剖析推算出所有虚办法调用的指标办法。

使 Java 适应原生

以往单个服务须要 7*24 小时不间断运行，须要单机高可用，此时 Java 服务就很适宜。然而 Java 应用程序都须要运行在上百兆的 JRE 上，在微服务上就并不适合。

同时在微服务中，利用能够随时拆分，每个利用并不需要很大的内存，而是须要疾速启动、随时更新，也可能不须要长时间运行。Java 应用程序原本启动就很慢，同时须要充沛预热才可能获取高性能。

GraalVM 提前编译就提供了一种解决方案，官网给出应用了 GraalVm 后启动工夫可能进步 50 倍，内存有 5 倍的降落。

Graal VM 的毛病

Java 语言在微服务天生就有劣势，这是因为 Java 诞生之初的口号就是“一次编写，到处运行”。这个口号曾经植入 Java 的基因中。如果想扭转这些（真的要拿Java的劣势去和别的语言的劣势相比），会有很多艰难：

  • Java 语言的反射机制，使得在编译期生成可执行文件很艰难。因为通过反射机制能够在运行期间动静调用API接口，这些在编译期是无奈感知的。除非放弃反射机制，或者在编译时提供配置文件供反射调用。
  • ASM、CGLIB、Javassist字节码库会在运行时生成、批改字节码，这些也没法通过 AOT 编译成原生代码。比方 Spring 的依赖注入就应用了 CGLIB 加强。Spring 曾经在新版本中适配了 GraalVM，能够敞开 CGLIB。
  • 放弃 HotSpot 虚拟机自身的外部借款，因为在本地镜像中，连 HotSpot 自身都被毁灭了。
  • 启动工夫、内存应用的确有大幅度优化，然而对于长时间运行的大型利用，未必有 HotSpot 的 Java 应用程序速度快。

Graal VM 的工作原理

Graal VM的根本工作原理是将这些语言的源代码（例如JavaScript）或源代码编译后的两头格局（例如LLVM字节码）通过解释器转换为能被Graal VM承受的两头示意（Intermediate Representation，IR），譬如设计一个解释器专门对LLVM输入的字节码进行转换来反对C和C++语言，这个过程称为“程序特化”（Specialized，也常称为Partial Evaluation）。

Graal VM提供了Truffle工具集来疾速构建面向一种新语言的解释器，并用它构建了一个称为Sulong的高性能LLVM字节码解释器。

在 macOS 上装置 Graal VM

Linux、Windows 等其余平台能够参考 Install GraalVM。因为我应用 macOS，本篇文章介绍如何在 macOS 上装置 Graal VM，基于 OpenJDK 11 的 GraalVM Community Edition。

装置 Graal VM

macOS 上的 GraalVM 社区版是 tar.gz 文件，JDK 的装置目录是：

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

x86 64位的 macOS 装置步骤如下：

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

` 下载。

  1. 解压缩
tar -xvf graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz
  1. 将文件夹挪动到 /Library/Java/JavaVirtualMachines 目录下（须要应用 sudo）。
sudo mv graalvm-ce-java11-20.1.0 /Library/Java/JavaVirtualMachines

检测是否装置胜利，能够运行命令：

/usr/libexec/java_home -V

运行后果为：

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
  1. 因为机器上可能存在多个 JDK，须要配置运行环境。

将 GraalVM bin 目录退出 PATH 环境变量。

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

设置 JAVA_HOME 环境变量。

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

留神：可能须要批改 bashc 配置文件。

装置 GraalVM 组件

通过上述步骤，曾经装置好了 GraalVM 的根底组件，如果须要额定反对 Python、R 等语言，须要应用 gu 组件。

gu install rubygu install rgu install pythongu install wasm

装置 GraalVM Native Image，运行命令：

gu install native-image

装置 LLVM toolchain 组件，运行命令：

gu install llvm-toolchain

将基于 Spring Boot 的 Java 应用程序编译成本地应用程序

能够参考 GitHub 的 spring-boot-graalvm 我的项目，这个我的项目里具体列出了 GraalVM 编译 Spring Boot Java 应用程序可能呈现的所有问题，并比照了 Java 利用启动与编译成本地可执行的 Java 程序。

Spring与Graal VM独特保护的在Spring Graal Native我的项目曾经提供了大多数Spring Boot组件的配置信息（以及一些须要在代码层面解决的Patch），咱们只须要简略依赖该工程即可。这样 Graal VM 就能获取编译期的反射、动静代理等配置。咱们只须要简略依赖工程即可。

须要在 pom.xml 中减少依赖：

<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>

指定启动类的门路：

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

配置一个独立的 profile，在编译时通过 native-image-maven-plugin 插件将其编译成本地可执行文件。

<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>

该插件在 Maven 地方仓库不存在，须要指定 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不反对CGLIB，只能应用JDK动静代理，所以该当把Spring对一般类的Bean加强给敞开掉。Spring Boot 的版本要大于等于 2.2，SpringBootApplication 注解上将 proxyBeanMethods 参数设置为 false。

@SpringBootApplication(proxyBeanMethods = false)public class SpringBootHelloApplication {    public static void main(String[] args) {        SpringApplication.run(SpringBootHelloApplication.class, args);    }}

在命令行通过 maven 打包我的项目：

mvn -Pnative clean package

最终在 target 目录可能看到可执行文件，大略在 50M 左右，相比 fat jar 为 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: default2020-04-30 15:40:22.280  INFO 40149 --- [           main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer  : Netty started on port(s): 80802020-04-30 15:40:22.288  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Started SpringBootHelloApplication in 1.47 seconds (JVM running for 1.924)

可能通过命令行间接运行程序，启动速度贼快。比照 Hello World web 一般应用程序，启动工夫是 1.47s，占用内存 491 MB。

而编译成本地代码的 Spring Boot 程序，启动速度是 0.078s，占用内存 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: default2020-05-01 10:25:31.241  WARN 42231 --- [           main] io.netty.channel.DefaultChannelId        : Failed to find the current process ID from ''; using a random value: 6350871002020-05-01 10:25:31.245  INFO 42231 --- [           main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer  : Netty started on port(s): 80802020-05-01 10:25:31.245  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Started SpringBootHelloApplication in 0.078 seconds (JVM running for 0.08)

总结

  • 本篇文章次要探讨 GraalVM 和 Java 的关系，GraalVM 上可能运行很多语言，可参考Why GraalVM。
  • 留神 Graal 的环境变量配置，配置谬误的话，是没法编译的，同时 JDK 11 须要高版本的 maven 版本。
  • Graal VM 和 GraalVM 是一个东东，官网是叫 GraalVM，然而其余中央都是 Graal VM……
  • 为了适应原生，JDK 本身也在演进。
  • GraalVM 编译的 Java 本地利用仅实用于一次性运行、短时间运行的场景，长时间运行还是传统 Java 程序效率高。
  • 本篇文章的 GitHub 地址：LjyYano/Thinking_in_Java_MindMapping

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