Java AOT之GraalVM native image介绍以及简单长连接服务实践

Java语言有20多年的发展历史，拥有众多优秀的特性如面向对象、安全、解释性、平台无关等，该语言以及其强大的生态使其成为最重要的网络编程语言。但是随着近年来技术架构的发展，微服务逐渐趋向云原生及Serverless化，使得Java也面临如下挑战：启动缓慢、内存占用大、预热问题。

Java服务启动时首先要启动一个JVM虚拟机，然后虚拟机会加载字节码，中间还包括类的加载解析初始化。JVM运行字节码运行时有解释执行和编译两种执行方式：当系统刚启动时，JVM会以解释执行并检测热点代码，热点代码会通过c1c2编译器进行编译成本地二进制代码。通过这样的机制，Java实现了很多诸如反射、动态代理等运行时的机制，例如可以在程序运行过程中加载并编译一段代码，而这个在静态编译中却不可想象。运行时编译还有个好处是可以做比较激进的编译优化，通过c2编译器和分支预测Java在某些场景下可以表现出比c++更强劲的性能。但这些优点也是有价的，包括启动耗时、预热耗时以及服务内存占用。

Graalvm

Graalvm是Oracle公司提供的一个高性能、云原生、多语言的虚拟机。除了运行 Java 和基于 JVM 的语言之外，GraalVM 的语言实现框架 (Truffle)使得在 JVM 上运行 JavaScript、Ruby、Python 和许多其他流行语言成为可能。借助 GraalVM Truffle，Java 和其他支持的语言可以直接互操作，并在同一内存空间中来回传递数据。

Native Image是一种将Java代码提前编译为独立可执行文件的技术，此刻执行文件包括应用程序类、依赖、运行时库以及JDK静态连接的本机代码。Graalvm通过子模块SubstrateVM来支持Native Image，相比JVM其生成的程序具有更快的启动时间和更低的运行时开销。

SubstrateVM

SubstrateVM是GraalVM实现静态编译的基础，可以从支持静态编译以及运行时两方面来简单了解。

静态编译

应用程序、第三方库和JDK字节码共同组成了静态编译的输入，SubstrateVM会对输入进行静态分析，找到其中可达代码，然后可达代码将会有静态编译器进行编译，最终得到native image。值得注意的是由于只会编译可达的代码，所以其生成的文件相对会较小。静态分析输出是控制流图（Control Flow Graph）和类型流图（Type Flow Graph），其耗时也为整个编译流程中最长。

运行时

Native image运行需要提供垃圾回收、类初始化检查、异常处理、多线程等支持。SubstrateVM通过Java做轻量化VM运行时实现。并且通过静态编译，将运行时支持一起编译至native image中，需要注意的是GraalVM社区版只提供SerialGC垃圾收集器。

实践

通过安装使用GraalVM社区版，并创建一个echo的长连接服务来实践GraalVM native image，这里的环境是MacOS。

安装GraalVM社区版

1. 通过Github下载GraalVM

2. 解压到/Library/Java/JavaVirtualMachines目录下

3. 打开JavaVirtualMachines目录下Contents/Home/bin校验java -version，添加JAVA_HOME环境变量

4. 安装native-imagegu

   gu install native-image，编译native image依赖于本地工具链，确保本地有安装glibc-devel、zlib-devel、gcc

长链服务

服务通过Netty实现一个echo服务器，主要包括以下类

启动类

Handle

Decoder

Encoder

pom.xml

先启动服务，使用nc工具测试功能，结果如下。

然后关闭服务器，用GraalVM执行静态编译，这里使用的是maven插件，执行mvn -Pnative -DskipTests package即可完成字节码编译及静态编译，编译结果如下，可以看到整个静态编译耗时还是比较长的，主要分布在静态分析和编译这两个阶段。

生成的native文件位于target包中，大小约17M，进入target目录，可用./mini-connector直接执行，用nc测试发送hello然后关闭服务器，结果如下

结论

通过GraalVM native image，可以将java服务启动时间压缩数十倍，且生成的二进制文件大小也优于包括所有依赖的jar包。

与传统Java运行模型相比，静态编译运行通过AOT避免了JIT的CPU开销，也避免了传统运行模型中一定存在的解释执行问题，使得程序性能较稳定。通过轻量化SubstrateVM实现，且也静态编译至native image中，提供了较快的vm性能和启动速度。

但是，任何技术都有优缺点。而Graalvm静态编译则需要面临解决动态类加载、反射、动态代理等动态特性的适配问题。另外通过native运行的程序，将不再适用面向传统JVM程序的调试、监控、Agent等功能。

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