11GraalVM

1.什么是GraalVM

GraalVM 是 Oracle 官方推出的一款高性能 JDK，使用它可以享受比 OpenJDK 或 OracleJDK 更好的性能。官方网址：https://www.graalvm.org/。

官方标语是 "Build faster, smaller, leaner applications"，核心价值体现在：

• 更低的 CPU、内存使用率
• 更快的启动速度，无需预热即可获得最好的性能
• 更好的安全性、更小的可执行文件
• 支持多种框架：Spring Boot、Micronaut、Helidon 和 Quarkus
• 多家云平台支持
• 通过 Truffle 框架运行 JS、Python、Ruby 等其他语言

GraalVM 分为社区版（Community Edition）和企业版（Enterprise Edition）。企业版相较社区版在性能上有更多优化：

1.1 社区版环境搭建

以 Linux 下搭建 GraalVM 社区版为例：

1. 使用 arch 命令查看 Linux 架构。
2. 根据架构到 https://www.graalvm.org/downloads/ 下载对应版本。
3. 安装方式与安装普通 JDK 相同：解压文件、设置环境变量。
4. 使用 java -version 和 HelloWorld 测试 GraalVM 是否可用。

2.GraalVM 的两种运行模式

GraalVM 提供 JIT 与 AOT 两种运行模式。

2.1 JIT 即时编译模式

JIT（Just-In-Time）模式的处理方式与 Oracle JDK 类似，满足两个特点：

• Write Once, Run Anywhere：一次编写，到处运行。
• 预热之后，通过内置的 Graal 即时编译器优化热点代码，生成比 HotSpot JIT 性能更高的机器码。

可以在 JDK8、JDK21、GraalVM 21（开启 Graal 即时编译器）、GraalVM 21（不开启 Graal 即时编译器）四种环境下运行 JMH 性能测试用例对比性能。

注意：-XX:-UseJVMCICompiler 参数可以关闭 GraalVM 中的 Graal 编译器。

2.2 AOT 提前编译模式

AOT（Ahead-Of-Time）编译器通过源代码为特定平台创建可执行文件，例如在 Windows 下编译完成之后会生成 exe 文件。这种模式生成的文件称为 Native Image 本地镜像，启动之后即可获得最高性能，但不具备跨平台特性，不同平台使用需要单独编译。

制作本地镜像的步骤：

1. 安装 Linux 环境本地镜像制作需要的依赖库，参考 Native Image 官方手册。
2. 使用 native-image 类名 制作本地镜像。
3. 运行本地镜像可执行文件。

2.3 模式与版本的性能对比

社区版 GraalVM 使用本地镜像模式的性能不如 HotSpot JVM 的 JIT 模式，但企业版的性能相对会高很多。

2.4 AOT 模式存在的问题

AOT 模式在启动速度、内存和 CPU 开销上非常有优势，但也会带来几个问题：

1. 跨平台问题：在不同平台下运行需要编译多次，编译平台的依赖库等环境要与运行平台保持一致。
2. 编译时间长：使用框架之后，编译本地镜像的时间较长，同时消耗大量 CPU 和内存。
3. 运行时类创建问题：AOT 编译器在编译时需要知道运行时所有可访问的类，但 Java 中存在反射、动态代理等运行时创建类的技术，这些技术在 Spring 等框架中大量使用。

解决方案：

1. 使用公有云的 Docker 等容器化平台进行在线编译，确保编译环境和运行环境一致，同时解决编译资源问题。
2. 使用 SpringBoot3 等已经整合了 GraalVM AOT 模式的框架版本。

2.5 SpringBoot3 实战

SpringBoot3 对 GraalVM 进行了完整的适配，编写 GraalVM 服务推荐使用 SpringBoot3。

1. 使用 Spring Initializr 在线生成器构建项目。
2. 编写业务代码。由于 AOT 不支持 @PostConstruct 等反射相关注解，需要改为实现 InitializingBean 接口的 afterPropertiesSet 方法：

@Service
public class UserServiceImpl implements UserService, InitializingBean {
 
    private List<User> users = new ArrayList<>();
 
    @Autowired
    private UserDao userDao;
 
    @Override
    public List<UserDetails> getUserDetails() {
        return userDao.findUsers();
    }
 
    @Override
    public List<User> getUsers() {
        return users;
    }
 
    @Override
    public void afterPropertiesSet() throws Exception {
        //初始化时生成数据
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            users.add(new User((long) i, RandomStringUtils.randomAlphabetic(10)));
        }
    }
}

3. 执行 mvn -Pnative clean native:compile 命令生成本地镜像。
4. 运行本地镜像。

3.GraalVM 应用场景

什么场景下需要使用 GraalVM？

1. 对性能要求比较高的场景，可以使用收费的企业版提升性能。
2. 公有云的部分服务按 CPU 和内存使用量计费，使用 GraalVM 可以有效降低费用。

3.1 Serverless 架构

传统系统架构中，服务器等基础设施的运维、安全、高可用工作都由企业自行完成，存在两个主要问题：

1. 开销大：包括人力开销和机房建设开销。
2. 资源浪费：面对秒杀等突发流量冲击，必须提前规划容量准备大量服务器，这些服务器在其他时间处于闲置状态。

随着虚拟化技术、云原生技术的愈发成熟，云服务商提供了 Serverless 无服务器化架构，企业无需进行服务器的配置和部署，完全由云服务商提供。典型代表有亚马逊 AWS、阿里云等。其特点包括：无需配置部署服务器、按价值付费、自动扩容、高可用与容错。

函数计算（FaaS）

Serverless 架构中第一种常见的服务是函数计算（Function as a Service），将一个应用拆分成多个函数，每个函数以事件驱动的方式触发。典型代表有 AWS 的 Lambda、阿里云的 FC。

函数计算的主要应用场景：

1. 小程序、API 服务中的接口：调用频率不高，使用常规服务器架构容易产生资源浪费，Serverless 可以实现按需付费并支持自动伸缩应对突发流量。
2. 大规模任务处理：如音视频文件转码、审核等，可利用事件机制在文件上传后自动触发对应任务。

函数计算的计费标准中包含 CPU 和内存使用量，所以使用 GraalVM AOT 模式编译出来的本地镜像可以节省更多成本。

Serverless 应用（基于容器）

函数计算的服务资源比较受限，例如 AWS Lambda 一般无法支持超过 15 分钟的函数执行，所以云服务商提供了基于容器的 Serverless 应用方案：无需手动配置 K8s 中的 Pod、Service 等内容，只需选择镜像就可自动生成应用服务。

部署到阿里云函数计算或 Serverless 应用的步骤相似：

1. 在项目中编写 Dockerfile 文件：

# Using Oracle GraalVM for JDK 17
FROM container-registry.oracle.com/graalvm/native-image:17-ol8 AS builder
 
# Set the working directory to /home/app
WORKDIR /build
 
# Copy the source code into the image for building
COPY . /build
RUN chmod 777 ./mvnw
 
# Build
RUN ./mvnw --no-transfer-progress native:compile -Pnative
 
# The deployment Image
FROM container-registry.oracle.com/os/oraclelinux:8-slim
 
EXPOSE 8080
 
# Copy the native executable into the containers
COPY --from=builder /build/target/spring-boot-3-native-demo app
ENTRYPOINT ["/app"]

2. 使用服务器制作镜像，这一步会消耗大量的 CPU 和内存资源，同时 GraalVM 相关镜像服务器在国外，建议使用阿里云的镜像服务器制作 Docker 镜像。
3. 函数计算：使用函数计算将 Docker 镜像转换成函数服务，绑定域名并测试；Serverless 应用：配置 Serverless 应用，选择容器镜像、CPU 和内存，绑定外网负载均衡并测试。

4.参数优化和故障诊断

由于 GraalVM 是一款独立的 JDK，大部分 HotSpot 中的虚拟机参数都不适用，常用参数可参考官方手册。

4.1 内存与垃圾回收参数

• 社区版只能使用串行垃圾回收器（Serial GC）：默认最大 Java 堆大小会设置为物理内存大小的 80%，调整方式为 -Xmx最大堆大小。如果希望在编译期就指定该大小，可在编译时添加参数 -R:MaxHeapSize=最大堆大小。
• G1 垃圾回收器只能在企业版中使用：开启方式为 --gc=G1，可有效降低垃圾回收的延迟。
• Epsilon GC：开启方式 --gc=epsilon，它不会产生任何垃圾回收行为，因此没有额外的内存、CPU 开销。如果在公有云上运行的程序生命周期短暂且不产生大量对象，可以使用该垃圾回收器以节省最大资源。

使用 -XX:+PrintGC -XX:+VerboseGC 参数可打印垃圾回收详细信息。

4.2 内存快照文件的获取

1. 编译程序时添加 --enable-monitoring=heapdump 参数（添加到 pom 文件的对应插件中）：

<plugin>
   <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
   <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
   <configuration>
      <buildArgs>
         <arg>--enable-monitoring=heapdump,jfr</arg>
      </buildArgs>
   </configuration>
</plugin>

2. 运行中使用 kill -SIGUSR1 进程ID 命令创建内存快照文件。
3. 使用 MAT 分析内存快照文件。

4.3 运行时数据的获取

JDK Flight Recorder (JFR) 是一个内置于 JVM 中的工具，可以收集正在运行中的 Java 应用程序的诊断和分析数据，比如线程、异常等内容。GraalVM 本地镜像也支持使用 JFR 生成运行时数据，导出的数据可使用 VisualVM 分析。

1. 编译程序时添加 --enable-monitoring=jfr 参数（同上 pom 配置）。
2. 运行程序，添加参数 -XX:StartFlightRecording=filename=recording.jfr,duration=10s。
3. 使用 VisualVM 分析 JFR 记录文件。

5.小结

1. 什么是 GraalVM？ GraalVM 是 Oracle 官方推出的一款高性能 JDK，具备两种模式，JIT 模式使用方式与 OracleJDK 相同；使用 AOT 模式制作的本地镜像具备启动速度快、CPU 和内存占用率低的优点，分为免费的社区版和收费的企业版，企业版拥有比社区版更好的性能。
2. 什么场景下使用 GraalVM？
   • 希望拥有更好的性能，使用 JIT 模式或者升级为企业版。
   • 执行时间较短的业务，使用 GraalVM 生成本地镜像，发布到函数计算云服务。
   • 执行时间较长的业务（如长时间计算任务），使用 GraalVM 生成本地镜像，发布到 Serverless 容器云服务。