原创

SpringBoot集成GraalVM创建高性能原生镜像

1. GraalVM 原生镜像的介绍

GraalVM原生镜像为部署和运行Java应用程序提供了一种新的方式。与Java虚拟机相比，原生镜像可以以更小的内存占用和更快的启动时间运行。

它们非常适用于使用容器镜像部署的应用程序，当与 "功能即服务"（FaaS）平台结合时，尤其令人感兴趣。

与为JVM编写的传统应用程序不同，GraalVM Native Image 应用程序需要提前处理，以创建可执行文件。这种超前处理包括从主入口点静态地分析你的应用程序代码。

GraalVM本地镜像是一个完整的、针对平台的可执行文件。你不需要为了运行一个本地镜像而去运行一个Java虚拟机。

1.1. 与JVM部署的主要区别

GraalVM原生镜像是提前制作的，这意味着原生和基于JVM的应用程序之间存在一些关键的差异。主要的区别是。

对应用程序的静态分析是在构建时从 main 入口点进行的。
在创建本地镜像时无法到达的代码将被删除，不会成为可执行文件的一部分。
GraalVM不能直接知道你的代码中的动态元素，必须被告知反射、资源、序列化和动态代理的情况。
应用程序的classpath在构建时是固定的，不能改变。
没有类的延迟加载，可执行文件中的所有内容都将在启动时加载到内存中。
围绕Java应用程序的某些方面有一些限制，不完全支持。

2.安装 Liberica NIK

Liberica Native Image Kit是bellsoft出品的旨在创建高性能原生二进制（Native Binaries）基于JVM编写的应用的工具包，简称为Liberica NIK。Liberica NIK本质就是把OpenJDK和多种其他工具包一起封装起来的JDK发行版，在Native Image功能应用过程，可以简单把它视为OpenJDK + GraalVM的结合体。可以通过sdk list java查看相应的JDK版本：

关于sdkman如何使用，可以参考上篇文章http://www.liuhaihua.cn/archives/711009.html 。这里选择JDK-17的版本进行安装：

sdk install java 23.0.1.r17-nik
# 这里最好把此JDK设置为当前系统的默认JDK，否则后面编译镜像时候会提示找不到GraalVM
sdk default java 23.0.1.r17-nik

安装完成后，通过java -version验证一下：

(base) liuhaihua@bogon ~ % java -version
openjdk version "17.0.8" 2023-07-18 LTS
OpenJDK Runtime Environment Liberica-NIK-23.0.1-1 (build 17.0.8+7-LTS)
OpenJDK 64-Bit Server VM Liberica-NIK-23.0.1-1 (build 17.0.8+7-LTS, mixed mode, sharing)

3.代码工程

实验目标

创建高性能原生二进制执行包

pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>3.2.1</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <artifactId>springnative</artifactId>

    <properties>
        <maven.compiler.source>17</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>17</maven.compiler.target>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <maven.compiler.version>3.11.0</maven.compiler.version>
        <maven.install.version>3.1.1</maven.install.version>
    </properties>
    <dependencies>


        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-autoconfigure</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>



    </dependencies>
    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <version>${maven.compiler.version}</version>
                <configuration>
                    <source>${maven.compiler.source}</source>
                    <target>${maven.compiler.target}</target>
                    <encoding>${project.build.sourceEncoding}</encoding>
                </configuration>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-install-plugin</artifactId>
                <version>${maven.install.version}</version>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
                <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                <executions>
                    <execution>
                        <goals>
                            <goal>repackage</goal>
                        </goals>
                    </execution>
                </executions>
                <configuration>
                    <mainClass>com.et.springnative.DemoApplication</mainClass>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

controller

package com.et.springnative.controller;

import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

@RestController
public class HelloWorldController {
    @RequestMapping("/hello")
    public Map<String, Object> showHelloWorld(){
        Map<String, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("msg", "HelloWorld");
        return map;
    }
}

DemoApplication.java

package com.et.springnative;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class DemoApplication {

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

application.yaml

server:
  port: 8088

https://github.com/Harries/springboot-demo

4.测试

构建

mvn -Pnative native:compile -Dmaven.test.skip=true

其中这个不带.jar后缀的就是最终的原生镜像，并且Native Image是不支持跨平台的，它只能在ARM架构的macOS中运行（受限于笔者的编译环境）。可以发现它（见上图中的target/springnative，它是一个二进制执行文件）的体积比executable jar大好几倍。参照SpringBoot的官方文档，经过AOT编译的SpringBoot应用会生成下面的文件：

Java源代码
字节码（例如动态代理编译后的产物等）
GraalVM识别的提示文件：
- 资源提示文件（resource-config.json）
- 反射提示文件（reflect-config.json）
- 序列化提示文件（serialization-config.json）
- Java（动态）代理提示文件（proxy-config.json）
- JNI提示文件（jni-config.json）

这里的输出非执行包产物基本都在target/spring-aot目录下，其他非Spring或者项目源代码相关的产物输出到graalvm-reachability-metadata目录中。最后可以验证一下产出的Native Image：

执行

./springnative

可以看到启动速度非常快,如果应用在生产中应该可以全天候近乎无损发布。当然，理论上Native Image性能也会大幅度提升

( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \
 \\/ ___)| |_)| | | | | || (_| | ) ) ) )
 ' |____| .__|_| |_|_| |_\__, | / / / /
 =========|_|==============|___/=/_/_/_/
 :: Spring Boot :: (v3.2.1)

2024-07-29T22:24:07.136+08:00 INFO 80605 --- [ main] com.et.springnative.DemoApplication : Starting AOT-processed DemoApplication using Java 17.0.8 with PID 80605 (/Users/liuhaihua/IdeaProjects/springboot-demo/springnative/target/springnative started by liuhaihua in /Users/liuhaihua/IdeaProjects/springboot-demo/springnative/target)
2024-07-29T22:24:07.137+08:00 INFO 80605 --- [ main] com.et.springnative.DemoApplication : No active profile set, falling back to 1 default profile: "default"
2024-07-29T22:24:07.174+08:00 INFO 80605 --- [ main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer : Tomcat initialized with port 8088 (http)
2024-07-29T22:24:07.176+08:00 INFO 80605 --- [ main] o.apache.catalina.core.StandardService : Starting service [Tomcat]
2024-07-29T22:24:07.176+08:00 INFO 80605 --- [ main] o.apache.catalina.core.StandardEngine : Starting Servlet engine: [Apache Tomcat/10.1.17]
2024-07-29T22:24:07.242+08:00 INFO 80605 --- [ main] o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/] : Initializing Spring embedded WebApplicationContext
2024-07-29T22:24:07.242+08:00 INFO 80605 --- [ main] w.s.c.ServletWebServerApplicationContext : Root WebApplicationContext: initialization completed in 105 ms
2024-07-29T22:24:07.331+08:00 INFO 80605 --- [ main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer : Tomcat started on port 8088 (http) with context path ''
2024-07-29T22:24:07.333+08:00 INFO 80605 --- [ main] com.et.springnative.DemoApplication : Started DemoApplication in 0.224 seconds (process running for 0.247)

访问http://127.0.0.1:8088/hello，能正常返回预期结果