Springboot 3.0之Spring Native初体验
Springboot 3.0之Spring Native初体验
Spring 3.0 中引入了一个新特性，即Spring 对Graalvm Image的支持。
Graalvm 官网
https://www.graalvm.org/native-image/
GraalVM编译器
Graalvm 是一个高效能，支持云原生的编译器。支持Java、JavaScript、Python、Ruby、R、WASM等多种语言。编译器的作用就是生成需要更少计算资源的更快、更精简的代码,拿Java 语言举例，Java 代码经过编译后生成class文件，启动Java程序的时候，需要通过JVM虚拟机将class文件加载到JVM内存中运行。现在使用Graalvm 生成Image镜像时，在编译Java代码时会使用 AOT（Ahead-Of-Time），即在编译时直接编译为本机二进制文件，这些文件可立即启动，无需预热即可提供最佳性能。编译完成的二进制文件不需要Java虚拟机即可运行。在不使用Graalvm 的镜像编译功能时，也可以使用Graalvm当作JDK来使用。
Graalvm 架构图[来自官网：https://www.graalvm.org/22.3/docs/introduction/]：
GraalVM为HotSpot Java虚拟机添加了一个高级的即时（JIT）优化编译器，Graalvm 的语言实现框架（Truffle） 可以在JVM上运行JavaScript、Ruby、Python和一些其他支持的流行语言。
Graalvm和JDK的区别：
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Graalvm 企业对标Oracle JDK，Graalvm 社区版对OpenJDK
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Graalvm 在基础支持的JDK上又添加了一个高级的JIT编译器,并且这个编译器默认为顶层的JIT编译器，运行时程序正常在JVM加载和执行，编译器将字节码编译为机器码并将其返回JVM时，支持的语言解释器是在Truffle 框架之上编写。
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Graalvm 支持Native Image，JDK并不支持
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Graalvm 支持多语言API，即在共享运行中组合编程语言的API(待探究)
Graalvm 目前支持的Java 框架有：
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Micronaut Java 云原生框架
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Spring (Spring AOT 插件支持)
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Helidon （没听过这个）
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Quarkus Java 云原生框架
Graalvm 目前平台的支持情况：
Community Edition 22.1 by platform.
| Feature | Linux AMD64 | Linux ARM64 | macOS | macOS ARM64 | Windows |
|---|---|---|---|---|---|
| Native Image | stable | stable | stable | experimental | stable |
| LLVM runtime | stable | stable | stable | experimental | not available |
| LLVM toolchain | stable | stable | stable | experimental | not available |
| JavaScript | stable | stable | stable | experimental | stable |
| Node.js | stable | stable | stable | not available | stable |
| Java on Truffle | experimental | experimental | experimental | experimental | experimental |
| Python | experimental | not available | experimental | not available | not available |
| Ruby | experimental | experimental | experimental | experimental | not available |
| R | experimental | not available | experimental | not available | not available |
| WebAssembly | experimental | experimental | experimental | experimental | experimental |
JVM 部署模式和原生镜像部署的关键区别
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编译为原生镜像时的静态代码分析是从主入口点执行，即 Java 的main方法
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无法识别的代码将会被删除，并且不会成为可执行文件的一部分（有点坑）
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Graalvm 编译时不能识别代码的动态元素，如：JVM的反射机制、Classpath Resource、序列化、动态代理等
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应用程序的类路径在生成时是固定的，不能更改
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没有所谓的延迟加载(LAZY),所有可执行文件的内容会在程序启动时全部加载到内存中
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Java 中的一些限制并没有完全受支持
理解Ahead-of-Time
Springboot依赖的就是动态配置很大程度依赖运行时的状态，而Graalvm 在创建NativeImage时，需要在代码编译时对代码进行静态分析，编译成对应的机器码，也就是说，针对于反射、序列化这种依赖于虚拟机的操作，都会被移除。Spring 的Ahead-of-time（AOT插件）就是在代码编译前做一些适配Graalvm的工作，以便Graalvm 能正确解析Springboot的代码，这些提前的工作包括：
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Spring AOT 生成对应的源代码（需要动态生成的类直接解析生成固定的代码）
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字节码的处理，如Spring 中需要动态代理的Bean的处理
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依据应用代码生成Graalvm需要的配置文件，告诉Graalvm哪里有反射、资源文件、动态代理等，包括：
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Resource hints (
resource-config.json) -
Reflection hints (
reflect-config.json) -
Serialization hints (
serialization-config.json) -
Java Proxy Hints (
proxy-config.json) -
JNI Hints (
jni-config.json)
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以@Configuration 注解举例
@Configuration(proxyBeanMethods = false)
public class MyConfiguration {
@Bean
public MyBean myBean() {
return new MyBean();
}
}
@Configuration 中配置的@Bean注解，会在程序启动时，由Spring的IOC 容器进行初始化，也就是运行时才创建的Bean对象，当我们创建一个Native image时，Spring就会使用另一种方法去解析这个Bean并创建Bean,Spring AOT 插件会将这个代码做以下处理：
/**
* Bean definitions for {@link MyConfiguration}.
*/
public class MyConfiguration__BeanDefinitions {
/**
* Get the bean definition for 'myConfiguration'.
*/
public static BeanDefinition getMyConfigurationBeanDefinition() {
Class<?> beanType = MyConfiguration.class;
RootBeanDefinition beanDefinition = new RootBeanDefinition(beanType);
beanDefinition.setInstanceSupplier(MyConfiguration::new);
return beanDefinition;
}
/**
* Get the bean instance supplier for 'myBean'.
*/
private static BeanInstanceSupplier<MyBean> getMyBeanInstanceSupplier() {
return BeanInstanceSupplier.<MyBean>forFactoryMethod(MyConfiguration.class, "myBean").withGenerator(
(registeredBean) -> registeredBean.getBeanFactory().getBean(MyConfiguration.class).myBean());
}
/**
* Get the bean definition for 'myBean'.
*/
public static BeanDefinition getMyBeanBeanDefinition() {
Class<?> beanType = MyBean.class;
RootBeanDefinition beanDefinition = new RootBeanDefinition(beanType);
beanDefinition.setInstanceSupplier(getMyBeanInstanceSupplier());
return beanDefinition;
}
可以看到上边生成的代码创建的MyConfiguration的类与@Configuration创建的类大致等效，区别就在于，SpringAOT插件生成的代码 是以Graalvm编译器能直接识别的方式创建的，在Spring AOT处理期间，并不会创建Bean的实例，而是在启动时创建。
初体验Spirng 3.0 Native-Image 支持
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准备工作
环境准备：
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IDEA 2021.3，具体版本自己看，最好是要支持JDK 17的有些低版本的不支持
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Maven 3.8.1 Maven 版本要和IDEA兼容，有些不兼容，执行Maven命令会报错，Settings.xml配置，可以暂时取消阿里的Maven仓库镜像，不然会导致无法下载Spring maven 仓库的镜像，因为有些SNAPSHOT版本在阿里仓库没有
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Graalvm 17 （graalvm-ce-java17-22.1.0，担心和本机JDK冲突的，可以直接在IDEA里配置）
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cd Graalvm 安装目录
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gu list 验证是否安装native-image
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没有安装的 执行gu install native-image 命令安装native-image
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代码编写
HelloService
public interface HelloService { String sayHello(String name); default String sayHello(String prefix,String name){ return String.format("%s %s",prefix,name); } }ResourceHelloService ```java public class ResourceHelloService implements HelloService{ private final Resource resource; public ResourceHelloService(Resource resource) { this.resource = resource; } @Override public String sayHello(String name) { try { try(InputStream in = this.resource.getInputStream()){ String prefix = StreamUtils.copyToString(in, StandardCharsets.UTF_8); return sayHello(prefix, name); } }catch (Exception ex){ throw new IllegalStateException("Failed to read resource " + null, ex); } } }SimpleHelloService
public class SimpleHelloService implements HelloService{ @Override public String sayHello(String name) { return sayHello("Hello", name); } }DemoConfiguration
@Configuration(proxyBeanMethods = false) public class DemoConfiguration { @Bean HelloService helloService() { return new SimpleHelloService(); } }DemoController
@RestController // 一定到导入 @ImportRuntimeHints(DemoController.DemoControllerRuntimeHints.class) public class DemoController { private final ObjectProvider<HelloService> helloServices; public DemoController(ObjectProvider<HelloService> helloServices) { this.helloServices = helloServices; } @GetMapping("/hello") HelloResponse hello(@RequestParam(required = false) String mode) throws Exception { String message = getHelloMessage(mode, "Native"); return new HelloResponse(message); } private String getHelloMessage(String mode, String name) throws Exception { if (mode == null) { return "No option provided"; } else if (mode.equals("bean")) { HelloService helloService = this.helloServices.getIfUnique(); return (helloService != null) ? helloService.sayHello(name) : "No Bean found"; } else if (mode.equals("reflection")) { String implementationName = Optional.ofNullable(getDefaultHelloServiceImplementation()) .orElse(SimpleHelloService.class.getName()); Class<?> implementationClass = ClassUtils.forName(implementationName, getClass().getClassLoader()); Method method = implementationClass.getMethod("sayHello", String.class); Object instance = BeanUtils.instantiateClass(implementationClass); return (String) ReflectionUtils.invokeMethod(method, instance, name); } else if(mode.equals("resource")){ ResourceHelloService resourceHelloService = new ResourceHelloService(new ClassPathResource("hello.txt")); return resourceHelloService.sayHello(name); } return "Unknown mode: "+mode; } public record HelloResponse(String message) { } private String getDefaultHelloServiceImplementation() { return null; } static class DemoControllerRuntimeHints implements RuntimeHintsRegistrar{ // 注册Spring AOT 运行时解析的配置，此代码会被Spring AOT 识别并处理 @Override public void registerHints(RuntimeHints hints, ClassLoader classLoader) { hints.reflection().registerConstructor(SimpleHelloService.class.getConstructors()[0], ExecutableMode.INVOKE) .registerMethod(ReflectionUtils.findMethod(SimpleHelloService.class,"sayHello",String.class),ExecutableMode.INVOKE); hints.resources().registerPattern("hello.txt"); } } }DemoAotNativeApplication
@SpringBootApplication public class DemoAotNativeApplication { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(DemoAotNativeApplication.class, args); } } -
启动对比验证
- 启动时间对比
JVM 运行：maven 的profiles 不要勾选native 然后在IDE 启动应用
Native模式运行：选择maven profile为native 然后点击IDEA 的plugins 中的native:build
编译比较耗时，请耐心等待后。target目录下有一个可执行文件
可执行文件的启动时间非常的短只有0.848s
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Spring AOT执行代码对比
target目录下的spring-aot的文件夹中存在资源文件的描述
反射的资源文件描述
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Spring AOT 资源文件查看
target目录下Spring AOT 自动生成的代码查看
- Spring 3.0 DEMO-AOT-NATIVE 项目地址：
参考外国程序员小哥snicoll的项目(也是Spring freamwork的开发人员)：https://github.com/snicoll/demo-aot-native.git
补充知识：
不同云原生框架之间的对比
Spring /Micronaut/Quarkus 对比
Spring Native:
优点：
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完善的框架，
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使用 Spring webFlux 的反应式堆栈
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最大的社区
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更多的集成
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多语言支持
缺点：
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大量使用反射
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启动时间和内存使用不太适合无服务器云功能
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仅对 Graalvm 的实验性支持
Micronaut
优点：
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现代云原生框架
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反应堆
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最小的内存占用和启动时间
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编译期间不修改字节码
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删除所有级别的反射使用
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Graalvm / 无服务器云功能
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多语言支持（Java grovy Kotlin）
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类似于Spring
缺点：
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较慢的编译时间 (AOT)
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社区比Spring 更小
Quarkus：
优点：
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现代云原生框架
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反应堆
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最小的内存占用和启动时间
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基于标准和框架（JAX-RS、Netty、Eclipse Micro profile）
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Graalvm / Serverless 云功能
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个人感觉文档支持较为全面，用起来也比较好用
缺点：
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预览中的多语言支持 (Kotlin Scala)
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较慢的编译时间 (AOT)
目前Spring AOT 也都是在实验阶段，相对于Quarkus 和Micronaut 来说起步应该比较晚，预计等SpringFramework6 和Spring 3.0 正式版发布之后，有更多的开发者使用起来之后才会发展的更快，Quarkus、Micronaut目前来看支持度较好,不过更看好Quarkus框架，感觉文档更全面一些。现在对云原生框架的探索也仅仅停留在能简单用起来的阶段，国内这部分资料也比较少，后边涉及到微服务这些配套组件的集成还需慢慢探索。需要先会用，才能探究其原理。