GraalVM

GraalVM是一個高性能運行時環(huán)境，它基于OpenJDK, HotSpot和JRockit，并提供了在Java虛擬機上運行其他語言的能力，比如JavaScript，Python，Ruby等。旨在提高基于Java和JVM的應用的性能并簡化Java云原生服務的構建和運行

GraalVM與JDK的對比

• 性能GraalVM在性能方面相較于JDK有著顯著的優(yōu)勢。GraalVM通過即時編譯（JIT）技術實現(xiàn)了更低的啟動時間和更高的執(zhí)行速度。通過JIT和AOT編譯器，可以在運行時和部署時將字節(jié)碼編譯成本地機器代碼，從而提高應用程序的性能。
• 編譯方式GraalVM提供了AOT編譯器，可以在應用程序部署時將其編譯成本地機器代碼，從而進一步提高應用程序的性能和啟動時間。而JDK在這方面的支持相對較弱。
• 語言支持GraalVM支持多種編程語言，如JavaScript、Python、R等，這使得開發(fā)者可以使用熟悉的語言進行開發(fā)，降低了學習成本。而JDK主要支持Java語言。
• 內存消耗GraalVM在內存消耗方面也優(yōu)于JDK。GraalVM采用了低延遲垃圾回收（LLGC）技術，可以在不影響性能的情況下實現(xiàn)更高效的內存管理。
• 兼容性GraalVM提供了與Java虛擬機（JVM）兼容的API，使得已經使用JVM的應用程序可以無縫遷移到GraalVM上。這使得GraalVM在兼容性方面具有優(yōu)勢。
• 互操作性使用GraalVM Truffle，Java和其他支持的語言可以直接相互互操作，并在同一內存空間中來回傳遞數(shù)據(jù)。這種互操作性提高了不同語言之間的協(xié)作效率。

GraalVM的使用場景

• 微服務架構在微服務架構中，每個服務都需要獨立部署和擴展。GraalVM可以作為服務的基礎運行時環(huán)境，提供高性能和低內存消耗的支持。同時服務之間的頻繁調用，以及各個服務的部署，都依賴于服務本身的性能以及啟動速度。
• 云計算在云計算環(huán)境中，資源利用率是關鍵因素。GraalVM可以在有限的資源下提供更高的性能，降低云服務的運營成本。
• 大數(shù)據(jù)處理大數(shù)據(jù)處理需要高性能和低延遲的計算能力。GraalVM可以有效地支持各種數(shù)據(jù)處理任務，提高數(shù)據(jù)處理速度。

GraalVM的優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：

高性能：GraalVM通過即時編譯技術和多語言并行執(zhí)行實現(xiàn)了高性能的運行時環(huán)境。

低內存消耗：GraalVM采用低延遲垃圾回收技術實現(xiàn)了高效的內存管理。

多語言支持：GraalVM支持多種編程語言，降低了開發(fā)者的學習成本。

跨平臺兼容性：GraalVM基于OpenJDK, HotSpot和JRockit，具有良好的跨平臺兼容性。

• 缺點：
• 學習成本：雖然GraalVM支持多種編程語言，但對于Java開發(fā)者來說，需要學習新的編程模型和API。
• 社區(qū)支持：相較于JDK，GraalVM的社區(qū)支持相對較弱。

AOT與JIT

JIT（Just-in-Time，即時編譯）和AOT（Ahead-of-Time，預編譯）是兩種主流的編譯技術。

JIT編譯器是在程序運行的時候進行編譯，這個過程是動態(tài)的， 并且每次運行程序時都可能對代碼進行重新編譯。這樣的編譯方式能夠支持更多的動態(tài)特性，峰值性能更高，更有利于調試。據(jù)說JIT編譯可以拿到比AOT編譯更多的運行時信息，從而做出更優(yōu)化的決策。

AOT編譯器則是在程序運行前就進行編譯，這個過程是靜態(tài)的。應用程序在安裝的時候會通過dex2oat工具將dex文件預編譯成ELF文件，這樣在每次運行程序時， 因為代碼已經被提前編譯過，所以不需要再重新編譯。這種方式使得應用的啟動速度更快，資源占用也略微低一些。

值得一提的是，AOT和JIT也可以結合使用，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。例如在某些語言或框架中，可以使用靜態(tài)AOT編譯來提前將整個應用程序編譯好，而在程序運行過程中則使用動態(tài)JIT編譯來提升程序的運行效率。

準備

下載GraalVM

直接進入官網，https://www.graalvm.org/downloads/，根據(jù)自己計算機系統(tǒng)類型選擇對應版本即可。

我的電腦是WIN11，所以選擇了Java 17 | Windows(x64),對應下載的版本為：graalvm-jdk-17.0.9+11.1

如果有安裝SDKMAN，可以通過下面的命令安裝：

sdk install java 21.0.1-graal

配置GraalVM環(huán)境

從下載的graalvm文件名稱也可以看出，其本身也是jdk，打開安裝文件里的bin目錄，可以看到也有java javac等等命令，可以將本地Java環(huán)境覆蓋，當然這個不是必須的。比如我使用IDEA時，選擇項目對應的SDK即可。

GRAALMVM_HOME= <your graalvm-jdk path>

PATH=%GRAALMVM_HOME%\bin

這樣我們就可以在終端使用native-image命令了。

通過native-image可以把Java代碼編譯為本地二進制可執(zhí)行文件。本地可執(zhí)行文件只包括運行時所需的代碼，即應用程序類、標準庫類、語言運行時和來自JDK的靜態(tài)鏈接的本機碼。

安裝Visual Studio

可以通過Visual Studio Installer來安裝，下載地址 https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/downloads/， 這里需要選擇17.0以上的版本，否則后面會出現(xiàn)問題，我這里選擇的是Visual Studio Community2022

圖片

示例

• 將一個Java文件生成一個可執(zhí)行exe程序

1. 編寫Java代碼

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

2. 編譯

javac  HelloWorld.java

3. 打包

native-image com.sucl.blog.vm.graalvm.HelloWorld

4. 測試

com.sucl.blog.vm.graalvm.HelloWorld.exe

• 從Spring Boot 3.0就已經支持GraalVM原生鏡像，這里通過一個基于Spring Boot的簡單項目來看如何使用GraalVM

1. 引入依賴，這里需要使用native-maven-plugin將最終的jar打包成exe文件

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

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
                <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
                <version>0.9.25</version>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

2. 編寫Java代碼

@RestController
@SpringBootApplication
public class GraalVMApplication {

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

    @GetMapping
    public String index(){
        return "hello GraalVM";
    }
}

3. 編譯打包可以直接通過mvn命令：

mvn -Pnative clean native:compile -f pom.xml

或者通過右側Maven選項，選擇native插件，配置運行參數(shù)，直接運行即可

圖片

整個打包過程比較長，由于需要將jar文件轉換可直接運行的成二進制exe文件，整個編譯的過程都會比較漫長。啟動完成后可以看到這樣的信息

圖片

4. 測試

在項目target目錄中，可以看到生成的exe文件，直接雙擊運行。以前幾秒甚至幾十秒才能啟動的項目，現(xiàn)在實現(xiàn)了秒開...

通過GraalVM Native Image，可以將Java字節(jié)碼直接編譯成特定于平臺的、自包含的本機可執(zhí)行文件，從而實現(xiàn)更快的啟動速度和更小的應用程序占用空間。java跨平臺的特性好像也沒了...

打開瀏覽器，輸入http://localhost:8080/則可以看到與普通項目相同的效果

其他支持

通過官網可以看到，GraalVM Native除了支持上面的基于jar的構建，還有以下

圖片

遇到的問題

• 編譯時出現(xiàn)如下問題

Error: Error compiling query code (in C:\Users\Us\AppData\Local\Temp\SVM-9567697918431257239\AMD64LibCHelperDirectives.c). Compiler command ''C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\bin\Hostx64\x64\cl.exe' /WX /W4 /wd4201 /wd4244 /wd4245 /wd4800 /wd4804 /wd4214 '/FeC:\Users\Us\AppData\Local\Temp\SVM-9567697918431257239\AMD64LibCHelperDirectives.exe' 'C:\Users\Us\AppData\Local\Temp\SVM-9567697918431257239\AMD64LibCHelperDirectives.c'' output included error: [AMD64LibCHelperDirectives.c, C:\Users\Us\AppData\Local\Temp\SVM-9567697918431257239\AMD64LibCHelperDirectives.c(1): fatal error C1034: stdio.h: 不包括路徑集]
Error: Use -H:+ReportExceptionStackTraces to print stacktrace of underlying exception

下載好Visual Studio后記得根據(jù)你的安裝路徑來配置系統(tǒng)環(huán)境變量：

INCLUDE=
C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.16299.0\ucrt
C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.16299.0\um
C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.16299.0\shared
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\include

LIB=
C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.22000.0\um\x64
C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.22000.0\ucrt\x64
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\lib\x64

PATH=
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\bin\Hostx64\x64

擴展內容

• Spring Native

Spring Native是Spring Boot團隊與GraalVM團隊合作的產物，作為一個獨立的子項目存在。它充分利用了GraalVM的特性，例如AOT編譯，以提供更快的啟動速度和更低的內存消耗。此外，Spring Native還支持將Spring Boot應用程序編譯成本地可執(zhí)行文件。

Spring Boot 3的Native則更側重于與Spring Boot主體的整合，可能更深度地整合了Spring Boot的特性與功能。

目前Spring Native已經由Spring Boot替代

https://docs.spring.io/spring-boot/docs/current/reference/html/native-image.html

• Quarkus

Quarkus的創(chuàng)建是為了使Java開發(fā)人員能夠為現(xiàn)代的、云原生的世界創(chuàng)建應用程序。Quarkus是一個為GraalVM和HotSpot定制的Kubernetes 原生Java框架，由最佳的Java庫和標準精心打造。其目標是使Java成為Kubernetes和無服務器環(huán)境的領先平臺，同時為開發(fā)者提供一個框架， 以解決更廣泛的分布式應用架構問題。

https://cn.quarkus.io/about/