Spring Native初探

近几年“原生”一词一直泛滥在云计算、边缘计算等领域中，而原生宠幸的语言也一直都是Golang，Rust等脱离Sandbox运行的开发语言。Java得益于上世纪流行的一次编译，到处执行的理念，流行至今，但也因为这个原因，导致Java程序脱离不了JVM运行环境，使得不那么受原生程序的青睐。在云原生泛滥的今天，臃肿的JVM使Java应用程序对比其他语言显得无比的庞大，各路大神也想了很多方式让Java变的更“原生”。最近Spring推出了Spring Native概念，并参考了其他大牛的文章后，今天我们就一探如何让用Spring Boot编写原生应用。

Spring Native借助GraalVM native-image编译器来编译Spring应用，所以我们需要先来了解一下GraalVM。大部分脚本语言或者有动态特效的语言都需要一个语言虚拟机运行，比如CPython，Lua，Erlang，Java，Ruby，R，JS，PHP，Perl，APL等等，但是这些语言的虚拟机水平参差不齐，例如JVM的HotSpotVM、JS的V8都是“艺术”级别的，但CPython的VM就不忍直视。那能不能用一个“艺术”级别的虚拟机跑所有的语言呢？GraalVM就是这么一个高性能的救世主，它使用运行在JVM上的Truffle语言框架，将AST节点编译为机器代码，使用户只需要实现具体语言AST解释器，就能实现性能足够好的虚拟机，而实现这个编译器也是一个Java写的即时编译器Graal，GraalVM也因此得名。

也许有同学会问了怎么用Java语言编译Java代码呢，而且还是这么高性能？这我们就要说说JEP 243的JVMCI。众所周知，HotSpot JVM内置了两个C++写的即时编译器（JIT）C1和C2，一般频繁的代码先用C1编译，如果热点继续，那么会使用C2编译。JVMCI相当于把本该交给C2编译的代码交给高级JIT：Graal编译，说到底就是将一段byte[]在运行时换成另一段byte[]。

那像Go和C/C++这类语言是否也能运行在JVM上呢？答案是肯定的。解决方案是将C/C++这些语言用一些工具（如Clang）转换为LLVM IR，然后使用基于Truffle的AST解释LLVM IR即可。（但，我们为啥要这么做？？）

到目前为止，几乎所有的语言都能在以JVM为基础，以Graal即时编译器为核心的虚拟机上运行起来了，但大家已经一定疑惑了，程序运行需要依赖JVM，而JVM必须提前安装JDK环境，而且自身启动慢，内存负载高，就不能把程序直接打包成平台相关可执行文件吗？答案是SubstrateVM，它借助Graal编译器，可以将Java程序AOT编译为可执行程序。所以万能的Graal编译器不仅能JIT，还能AOT。

好了，我们这些“CRUD仔”们了解这些基础魔法就足够了，至于SVM如何解决反射、GC等问题的高级魔法还是交给大牛们吧。现在进入我们的正题：用Spring Boot来编写一个原生应用。

制作过程

Step 1：安装GraalVM和依赖工具

因为大家都比较熟悉JDK安装过程，所以本过程带过了一些细节，不做重点讲解。首先我们需要安装GraalVM，笔者以自己的macOS系统为例，其他系统请参考官方安装文档。比较遗憾的是，GraalVM并没有提供针对M1优化的AArch64平台的包，我们只能使用AMD64平台，下载地址点击这里[1]，我们使用Java 17版本的darwin压缩包，解压至：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/

并且设置JAVA_HOME：

export GRAALVM17_HOME=$(/usr/libexec/java_home -v 17)
export JAVA_HOME=$GRAALVM17_HOME

为了使用方便也可以设置Alias：

alias java17g='export JAVA_HOME=$GRAALVM17_HOME;java -version'

由于macOS的安全限制，需要删除quarantine：

$ sudo xattr -r -d com.apple.quarantine $GRAALVM17_HOME

我们依然需要Maven作为本次探索的打包工具，请大家自行安装Maven，这里不再赘述。一切安装完成，我们可以运行java -version和mvn -v来验证一下安装是否成功。

$ java -version
openjdk version "17.0.1" 2021-10-19
OpenJDK Runtime Environment GraalVM CE 21.3.0 (build 17.0.1+12-jvmci-21.3-b05)
OpenJDK 64-Bit Server VM GraalVM CE 21.3.0 (build 17.0.1+12-jvmci-21.3-b05, mixed mode, sharing)

最后，我们需要安装native-image作为原生代码编译工具：

$ cd $GRAALVM_HOME/bin
$ ./gu install native-image

当然，Xcode工具包因为包含GCC等工具，也必须安装，如已经安装可跳过。

$ sudo xcode-select --install

Step 2：建立Spring Boot应用

按着官方的向导建立一个基于Spring Boot 2.6.2版本，Java版本使用1.8的Web应用。注意一定要使用最新的2.6.2+版本，否则不支持AOT功能。并且，Java版本也只支持1.8。目录如下：

.
├── HELP.md
├── pom.xml
├── src
│   ├── main
│   │   ├── java
│   │   │   └── com
│   │   │       └── ajk
│   │   │           └── testspringnative
│   │   │               └── TestSpringNativeApplication.java
│   │   └── resources
│   │       ├── application.yml
│   │       ├── static
│   │       └── templates
│   └── test
│       └── java
│           └── com
│               └── ajk
│                   └── testspringnative
│                       └── TestSpringNativeApplicationTests.java

其中TestSpringNativeApplication代码如下：

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@SpringBootApplication
@RestController
public class TestSpringNativeApplication {

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

    @GetMapping("/hello")
    public String hello(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "World") String name) {
        return String.format("Hello %s!", name);
    }

}

配置文件application.yml代码如下：

server:
  port: 9000
  shutdown: graceful

spring:
  profiles:
    active: default

logging:
  level:
    root: info

Step 3：配置Maven

为了方便演示，我们使用了最简单的代码和配置，重点是Maven的配置，以至于我需要用整个Step来说明。

由于使用了官方向导生成的项目，所以基础pom.xml文件如下：

    4.0.0
    
        org.springframework.boot
        spring-boot-starter-parent
        2.6.2
         
    
    com.ajk
    test-spring-native
    0.0.1-SNAPSHOT
    test-spring-native
    test-spring-native
    
        1.8
    
    
        
            org.springframework.boot
            spring-boot-starter-web
        

        
            org.springframework.boot
            spring-boot-starter-test
            test
        
    
    
        
            
                org.springframework.boot
                spring-boot-maven-plugin
            
        
    

接下来我们开始配置Spring Boot Native，官方有两种方式实现编译原生应用：

• 用Spring Boot Buildpacks生成包含原生应用的OCI容器。

• 用GraalVM native image Maven plugin生成原生应用。

由于篇幅关系，这里只介绍第二种方式，即编译为原生应用。

首先增加包和插件依赖库：

    
    
        spring-release
        Spring release
        https://repo.spring.io/release
    


    
    
        spring-release
        Spring release
        https://repo.spring.io/release
    

再次确认我们的Spring Boot版本为2.6.2（因为Spring Native 0.11.1版本支持此版本），并添加如下依赖：

    
    
        org.springframework.experimental
        spring-native
        0.11.1
    

添加Spring AOT部署插件：

    
        
        
            org.springframework.experimental
            spring-aot-maven-plugin
            0.11.1
            
                
                    generate
                    
                        generate
                    
                
                
                    test-generate
                    
                        test-generate
                    
                
            
        
    

再添加原生编译插件，这里使用一个profile来更好的管理：

    
        native
        
            
                
                    org.graalvm.buildtools
                    native-maven-plugin
                    0.9.9
                    true
                    
                        
                            build-native
                            
                                build
                            
                            package
                        
                    
                    
                        
                    
                
                
                
                    org.springframework.boot
                    spring-boot-maven-plugin
                    
                        exec
                    
                
            
        
    

一切妥当！开始编译吧！

$ mvn clean -Pnative -DskipTests package

官方推荐编译的机器不能少于8核8G内存，否则编译工具会报错。在我的M1的机器上，编译大概需要10分钟左右，编译时CPU峰值使用率大概在50%，内存占用6.9GB。

简单评测

首先看一下编译文件大小对比：

• fatjar包文件为17.8M（不包含JRE），原生可执行文件为68.2M。

• 使用spring-boot-maven-plugin生成包含JRE运行环境的容器镜像大小为270M，而使用Tiny Core Linux+原生应用的形式，镜像大小可以控制在100M以内，为96M。压缩比达到35%之多。

再来看看启动速度对比：

• fatjar启动时间为8.2s

• 原生文件启动时间为5.6s

程序使用CPU和内存对比：

• fatjar空载CPU 0.5%，内存使用528M

• 原生应用空载CPU 0.3%，内存使用85M

如下表格：

	FatJar包	Native包
应用大小	17.8M	68.2M
容器镜像大小	270M	96M
启动速度	8.2s	5.6s
空载CPU	0.5%	0.3%
空载内存	528M	85M

总体来讲，原生应用从产物大小，启动速度，运行负载来讲都优与Jar包应用，这还是在没有针对arm的指令集做优化的基础上的，但对比官方宣传的内存使用20M内存占用还有一定差距。

总结

经过几天折腾，GraalVM的性能即使不编译为原生应用也优于HotSpot VM，在编译为原生应用后，性能也有一定的提升。但目前Spring Native还不够成熟，笔者想用undertow代替Tomcat Web容器而编译后的原生应用，始终无法运行。相信后面版本应该会修复一些问题。

本文总结了一种编译原生的方式，另一种生成原生镜像的方式大家可以自行研究（注意，编译成原生镜像需要阅读大量文章）。另外，由于时间有限，在两者的压测过程中，原生应用GC回收内存速度快于jar包应用，大家也可以深入研究原生内存回收方式。

所有代码可在GitHub[2]上参考。

相关链接：

1. https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases

2. https://github.com/huang-kai/test-spring-native

参考资料：

1. https://www.graalvm.org/docs/introduction/

2. https://docs.spring.io/spring-native/docs/current/reference/htmlsingle/

3. https://openjdk.java.net/jeps/243

4. http://trufflesuite.com/truffle/

5. https://github.com/graalvm/labs-openjdk-17

作者：黄凯，58安居客新房技术部负责人。

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