--- date: 2020-07-10 --- # 公众号 coding 笔记、点滴记录，以后的文章也会同步到公众号（Coding Insight）中，大家关注 `^_^` 我的博客地址：[博客主页](https://yano-nankai.notion.site/yano-nankai/Yano-Space-ff42bde7acd1467eb3ae63dc0d4a9f8c)。 ![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-07-29-qrcode_for_gh_a26ce4572791_258.jpg) # 前言 2018 年 4 月，Oracle Labs 新公开了一项黑科技：[Graal VM](https://www.graalvm.org/)。 这是一个在 HotSpot 虚拟机基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，可以作为 “任何语言” 的运行平台使用。 现在网络上关于 Graal VM 的相关资料并不多，还是要看官方文档。本文旨在简要介绍： - 什么是 Graal VM？ - Graal VM 有什么好处？ - Graal VM 有什么缺点？ - Graal VM 的工作原理是什么？ - 在 macOS 上安装 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 下面是一张 Graal VM 的简要 ` 思维导图 `。 ![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-07-10-011227.png) 一篇通俗易懂的文章：[GraalVM：微服务时代的 Java](https://zhuanlan.zhihu.com/p/137836206)。 # 什么是 Graal VM Graal VM 被官方称为 “Universal VM” 和“Polyglot VM”，是一个在 HotSpot 虚拟机基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，口号是“Run Programs Faster Anywhere”。可以在 Graal VM 上运行“任何语言”，这些语言包括： - 基于 Java 虚拟机的语言：Java、Scala、Groovy、Kotlin 等； - 基于 LLVM 的语言：C、C++、Rust； - 其他语言：JavaScript、Ruby、Python 和 R 语言等。 Graal VM 可以无额外开销地混合使用这些编程语言，支持不同语言中混用对方的接口和对象，也能够支持这些语言使用已经编写好的本地库文件。 # Graal VM 的好处 具体可参考官方文档：[Why GraalVM？](https://www.graalvm.org/docs/why-graal/) ![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-07-10-014113.png) 我认为最重要的特性是 `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，包括了独立的异常处理、同步调度、线程管理、内存管理（垃圾收集）和 JNI 访问等组件。Substrate VM 还包含了一个 ` 本地镜像的构造器 `（Native Image Generator），用户可以通过本地镜像构造器构建基于构建机器的可执行文件。 构造器采用指针分析（Points-To Analysis）技术，从用户提供的程序入口出发，搜索所有可达的代码。在搜索的同时，它还将执行初始化代码，并在最终生成可执行文件时，将已初始化的堆保存至一个堆快照之中。 Substrate VM 就可以直接从目标程序开始运行，而无须重复进行 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完全封闭的，即不能动态加载其他编译期不可知的代码和类库。基于这个假设，Substrate VM 才能探索整个编译空间，并通过静态分析推算出所有虚方法调用的目标方法。 ## 使 Java 适应原生 以往单个服务需要 7*24 小时不间断运行，需要单机高可用，此时 Java 服务就很适合。但是 Java 应用程序都需要运行在上百兆的 JRE 上，在微服务上就并不合适。 同时在微服务中，应用可以随时拆分，每个应用并不需要很大的内存，而是需要快速启动、随时更新，也可能不需要长时间运行。Java 应用程序本来启动就很慢，同时需要充分预热才能够获取高性能。 GraalVM 提前编译就提供了一种解决方案，官方给出使用了 GraalVm 后启动时间能够提高 50 倍，内存有 5 倍的下降。 ![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-07-10-015941.png) # Graal VM 的缺点 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”。这个口号已经植入 Java 的基因中。如果想改变这些（真的要拿 Java 的劣势去和别的语言的优势相比），会有很多困难： - Java 语言的反射机制，使得在编译期生成可执行文件很困难。因为通过反射机制可以在运行期间动态调用 API 接口，这些在编译期是无法感知的。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、修改字节码，这些也没法通过 AOT 编译成原生代码。比如 Spring 的依赖注入就使用了 CGLIB 增强。Spring 已经在新版本中适配了 GraalVM，可以关闭 CGLIB。 - 放弃 HotSpot 虚拟机本身的内部借款，因为在本地镜像中，连 HotSpot 本身都被消灭了。 - 启动时间、内存使用确实有大幅度优化，但是对于长时间运行的大型应用，未必有 HotSpot 的 Java 应用程序速度快。 # Graal VM 的工作原理 Graal VM 的基本工作原理是将这些语言的源代码（例如 JavaScript）或源代码编译后的中间格式（例如 LLVM 字节码）通过解释器转换为能被 Graal VM 接受的中间表示（Intermediate Representation，IR），譬如设计一个解释器专门对 LLVM 输出的字节码进行转换来支持 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 工具集来快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 上安装 Graal VM Linux、Windows 等其他平台可以参考 [Install GraalVM](https://www.graalvm.org/getting-started/#install-graalvm)。由于我使用 macOS，本篇文章介绍如何在 macOS 上安装 Graal VM，基于 OpenJDK 11 的 GraalVM Community Edition。 ## 安装 Graal VM macOS 上的 GraalVM 社区版是 tar.gz 文件，JDK 的安装目录是： ``` /Library/Java/JavaVirtualMachines//Contents/Home ``` x86 64 位的 macOS 安装步骤如下： 1. 在 [GraalVM Releases repository on GitHub](https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases) 上找到 `graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz ` 下载。 2. 解压缩 ``` tar -xvf graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz ``` 3. 将文件夹移动到 `/Library/Java/JavaVirtualMachines` 目录下（需要使用 sudo）。 ``` sudo mv graalvm-ce-java11-20.1.0 /Library/Java/JavaVirtualMachines ``` 检测是否安装成功，可以运行命令： ``` /usr/libexec/java_home -V ``` 运行结果为： ``` 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 ``` 4. 由于机器上可能存在多个 JDK，需要配置运行环境。 将 GraalVM `bin` 目录加入 `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 ``` 注意：可能需要修改 bashc 配置文件。 ## 安装 GraalVM 组件 通过上述步骤，已经安装好了 GraalVM 的基础组件，如果需要额外支持 Python、R 等语言，需要使用 `gu` 组件。 ``` gu install ruby gu install r gu install python gu install wasm ``` 安装 `GraalVM Native Image`，运行命令： ``` gu install native-image ``` 安装 `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 可以参考 GitHub 的 [spring-boot-graalvm](https://github.com/jonashackt/spring-boot-graalvm#relocate-annotation-classpath-scanning-from-runtime-to-build-time) 项目，这个项目里详细列出了 GraalVM 编译 Spring Boot Java 应用程序可能出现的所有问题，并对比了 Java 应用启动与编译成本地可执行的 Java 程序。 Spring 与 Graal VM 共同维护的在 Spring Graal Native 项目已经提供了大多数 Spring Boot 组件的配置信息（以及一些需要在代码层面处理的 Patch），我们只需要简单依赖该工程即可。这样 Graal VM 就能获取编译期的反射、动态代理等配置。我们只需要简单依赖工程即可。 需要在 pom.xml 中增加依赖： ```xml org.springframework spring-context-indexer true org.springframework.experimental spring-graalvm-native 0.7.1 ``` 指定启动类的路径： ```xml com.yano.workflow.WorkflowApplication ``` 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。 ```xml native org.graalvm.nativeimage native-image-maven-plugin 20.1.0 -J-Xmx4G -H:+TraceClassInitialization -H:+ReportExceptionStackTraces -Dspring.graal.remove-unused-autoconfig=true -Dspring.graal.remove-yaml-support=true ${project.artifactId} native-image package org.springframework.boot spring-boot-maven-plugin ``` 该插件在 Maven 中央仓库不存在，需要指定 pluginRepositories 和 repositories： ```xml spring-milestones Spring Milestones https://repo.spring.io/milestone spring-milestones Spring Milestones https://repo.spring.io/milestone ``` Graal VM 不支持 CGLIB，只能使用 JDK 动态代理，所以应当把 Spring 对普通类的 Bean 增强给关闭掉。Spring Boot 的版本要大于等于 2.2，`SpringBootApplication` 注解上将 proxyBeanMethods 参数设置为 false。 ```java @SpringBootApplication(proxyBeanMethods = false) public class SpringBootHelloApplication { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(SpringBootHelloApplication.class, args); } } ``` 在命令行通过 maven 打包项目： ``` mvn -Pnative clean package ``` 最终在 target 目录能够看到可执行文件，大概在 50M 左右，相比 fat jar 为 17M。 ![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-07-10-063311.png?x-oss-process=image/resize,h_500) ``` 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: default 2020-04-30 15:40:22.280 INFO 40149 --- [main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer : Netty started on port(s): 8080 2020-04-30 15:40:22.288 INFO 40149 --- [main] i.j.s.SpringBootHelloApplication : Started SpringBootHelloApplication in 1.47 seconds (JVM running for 1.924) ``` 能够通过命令行直接运行程序，启动速度贼快。对比 Hello World web 普通应用程序，启动时间是 `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: default 2020-05-01 10:25:31.241 WARN 42231 --- [main] io.netty.channel.DefaultChannelId : Failed to find the current process ID from ''; using a random value: 635087100 2020-05-01 10:25:31.245 INFO 42231 --- [main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer : Netty started on port(s): 8080 2020-05-01 10:25:31.245 INFO 42231 --- [main] i.j.s.SpringBootHelloApplication : Started SpringBootHelloApplication in 0.078 seconds (JVM running for 0.08) ``` # 总结 - 本篇文章主要讨论 GraalVM 和 Java 的关系，GraalVM 上能够运行很多语言，可参考 [Why GraalVM](https://www.graalvm.org/docs/why-graal/)。 - 注意 Graal 的环境变量配置，配置错误的话，是没法编译的，同时 JDK 11 需要高版本的 maven 版本。 - Graal VM 和 GraalVM 是一个东东，官网是叫 GraalVM，但是其他地方都是 Graal VM…… - 为了适应原生，JDK 自身也在演进。 - GraalVM 编译的 Java 本地应用仅适用于一次性运行、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](https://github.com/LjyYano/Thinking_in_Java_MindMapping) # 公众号 coding 笔记、点滴记录，以后的文章也会同步到公众号（Coding Insight）中，大家关注 `^_^` 我的博客地址：[博客主页](https://yano-nankai.notion.site/yano-nankai/Yano-Space-ff42bde7acd1467eb3ae63dc0d4a9f8c)。 ![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-07-29-qrcode_for_gh_a26ce4572791_258.jpg)