轩辕李的博客
轩辕李
2023-05-07
目录

从Hotspot到GraalVM

在云原生时代，Java可能显得不那么性感，这其中的主要的影响因素包括：

  • 缺失协程
  • 启动速度慢
  • 内容占用高

对于协程，已经有了JEP 425 (opens new window)提案，距离落地应该不远了。

对于启动速度和内存占用优化的问题，目前还没有被提上日程。
不过，有赖于强大的Java社区，业界也给出了这方面的解决方案，就是今天要谈到的GraalVM。

GraalVM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。

GraalVM具有以下特点：

  1. 高性能，通过使用Graal编译器优化程序运行速度。
  2. 跨语言支持，GraalVM可以运行多种编程语言，如Java、JavaScript、Ruby、R、Python等。
  3. 提供Ahead-of-Time（AOT）编译和原生映像生成，以减少启动时间和内存占用。
  4. 强大的跨语言互操作性，通过Truffle框架实现不同编程语言之间的互操作。

# Graal编译器

# 1. Graal编译器的特点

Graal编译器具有以下特点：

  1. 高性能，通过复杂的优化策略提高程序运行速度。
  2. 可扩展性，Graal编译器可以方便地扩展以支持新的语言和优化策略。
  3. 模块化设计，易于维护和集成。
  4. 使用Java语言实现，保证高可移植性、可维护性。

# 2. Graal编译器与HotSpot JVM的C1和C2编译器的比较

与HotSpot JVM的C1和C2编译器相比，Graal编译器在性能上具有较大优势。

Graal编译器可以生成更高效的本地代码，并通过复杂的优化策略进一步提高程序运行速度。

此外，Graal编译器的模块化设计和可扩展性也为未来的发展提供了更大的可能性。

请注意，目前的Graal编译器比Hotspot的分层编译性能损失在20%左右。

# 3. 使用Graal编译器优化Java应用性能

要使用Graal编译器优化Java应用性能，可以按照以下步骤进行：

  1. 安装和配置GraalVM，点击下载 (opens new window)。
  2. 使用GraalVM运行Java应用程序，并通过JVM参数指定使用Graal编译器：java -XX:+UseJVMCICompiler -jar your_application.jar。
  3. 对程序进行性能调优和分析，以确定Graal编译器带来的性能提升。

关于Graal编译器参数，参考：JVM编译器配置 (opens new window)

# Substrate VM

# 1. Substrate VM简介

Substrate VM是GraalVM的一个重要组成部分，提供了轻量级、高性能的运行时环境。

Substrate VM通过Ahead-of-Time（AOT）编译和原生映像技术，实现了更快的启动时间和更低的内存占用。

# 2. Substrate VM的特点和优势

Substrate VM具有以下特点和优势：

  1. 高性能，通过AOT编译和原生映像技术实现更快的启动时间和更低的内存占用。
  2. 跨语言支持，Substrate VM可以运行多种编程语言。
  3. 高度集成，Substrate VM与GraalVM的其他组件紧密集成，为开发者提供一致的开发体验。

# 3. Substrate VM与HotSpot JVM的比较

与HotSpot JVM相比，Substrate VM在启动时间和内存占用方面具有明显优势。

通过使用AOT编译和原生映像技术，Substrate VM可以实现更快的启动时间和更低的内存占用。

# 原生映像（Native Image）

# 1. 原生映像的概念与优势

原生映像是通过将Java应用程序及其依赖项编译成本地机器代码生成的独立可执行文件，主要使用的就是AOT（Ahead-of-Time）技术。原生映像具有以下优势：

  1. 更快的启动时间，因为无需额外的编译过程。
  2. 更低的内存占用，因为运行时不需要额外的编译器资源。
  3. 独立部署，原生映像包含了所有必要的运行时组件，无需依赖外部JVM。

# 2. 使用GraalVM生成原生映像的步骤

要使用GraalVM生成原生映像，可以按照以下步骤进行：

  1. 安装和配置GraalVM。
  2. 使用native-image 工具 (opens new window)将Java应用程序及其依赖项编译成原生映像。
  3. 运行生成的原生映像并验证功能和性能。

# 3. 原生映像的局限性（Java agents，JMX，JVMTI等）

原生映像在某些功能和兼容性方面可能存在局限性，例如：

  1. Java agents（Instrument）可能无法与原生映像兼容，因为它们依赖于运行时字节码转换。
  2. JVMTI等运行时监控和诊断功能可能受到限制，因为原生映像不包含完整的JVM。
  3. 反射和动态类加载等功能可能受到限制，因为原生映像在编译时已确定了所有的类和方法。
  4. 与某些第三方库和框架的兼容性可能受到影响，特别是动态代理库，比如Cglib等。

要兼容Instrument和JVMTI会有些复杂，参考这个帖子的讨论：Does graalvm suppport -javaagent (opens new window)

比如对于链路追踪来说，可以使用GraalVM Insight (opens new window)

对于JMX的支持，参考：Build and Run Native Executables with Remote JMX (opens new window)。

对于JFR的支持，参考：Build and Run Native Executables with JFR (opens new window)。

对于反射、动态类加载、动态代理、外部资源、JNI的兼容，需要在构建原生映像时提供额外的配置信息。

下面以反射为例进行说明。

为了解决反射的限制，您需要创建一个JSON格式的配置文件，指定需要进行反射操作的类、方法和字段。

然后，在构建原生映像时，通过-H:ReflectionConfigurationFiles选项指定这个配置文件。例如：

[
  {
    "name" : "java.lang.Class",
    "queryAllDeclaredConstructors" : true,
    "queryAllPublicConstructors" : true,
    "queryAllDeclaredMethods" : true,
    "queryAllPublicMethods" : true,
    "allDeclaredClasses" : true,
    "allPublicClasses" : true
  },
  {
    "name" : "java.lang.String",
    "fields" : [
      { "name" : "value" },
      { "name" : "hash" }
    ],
    "methods" : [
      { "name" : "<init>", "parameterTypes" : [] },
      { "name" : "<init>", "parameterTypes" : ["char[]"] },
      { "name" : "charAt" },
      { "name" : "format", "parameterTypes" : ["java.lang.String", "java.lang.Object[]"] }
    ]
  },
  {
    "name" : "java.lang.String$CaseInsensitiveComparator",
    "queriedMethods" : [
      { "name" : "compare" }
    ]
  }
]

使用native-image命令构建原生映像时，指定配置文件：

native-image -H:ReflectionConfigurationFiles=reflection-config.json ...

如果不指定，也可以放在META-INF/native-image/<group.id>/<artifact.id>/reflection-config.json中，它将会被自动加载。

关于原生镜像对于Java动态性的支持，GraalVM提供了可达性元数据 (opens new window) 确保了在运行时与第三方库的无缝兼容性。

# 跨语言互操作性

# 1. Truffle框架

Truffle是GraalVM的一个重要组成部分，提供了一套用于构建跨语言互操作性的API和工具。

通过Truffle框架，开发者可以实现不同编程语言之间的互操作，以实现高性能、跨语言的程序运行。

# 2. GraalVM支持的其他语言

除了Java，GraalVM还支持多种其他编程语言，如JavaScript、Ruby、R、Python等。

GraalVM通过Truffle框架实现对这些语言的支持，从而实现跨语言互操作性。

# 3. 跨语言互操作性示例

在本示例中，我们将展示如何在GraalVM中实现跨语言互操作性，将Java和JavaScript代码集成到同一个应用程序中。

我们将创建一个Java应用程序，该应用程序使用GraalVM Polyglot API调用一个简单的JavaScript函数。

首先，我们需要创建一个JavaScript文件，包含一个简单的函数。创建一个名为hello.js的文件，并添加以下内容：

// hello.js
function greet(name) {
  return `Hello, ${name}!`;
}

接下来，我们将创建一个Java程序来调用greet函数。创建一个名为HelloPolyglot.java的文件，并添加以下内容：

// HelloPolyglot.java
import org.graalvm.polyglot.*;

public class HelloPolyglot {
  public static void main(String[] args) {
    try (Context context = Context.create()) {
      // 从hello.js文件加载JavaScript代码
      context.eval(Source.newBuilder("js", new File("hello.js")).build());

      // 通过GraalVM Polyglot API调用JavaScript中的greet函数
      Value greetFunction = context.getBindings("js").getMember("greet");
      String result = greetFunction.execute("GraalVM User").asString();

      // 输出结果
      System.out.println(result);
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

现在我们需要使用GraalVM来编译和运行Java程序。确保你的JAVA_HOME环境变量已经设置为GraalVM的安装路径，并在命令行中运行以下命令：

$ javac HelloPolyglot.java
$ java HelloPolyglot

运行这个Java程序时，你应该看到以下输出：

Hello, GraalVM User!

# GraalVM在实践中的应用

GraalVM 是一个通用的虚拟机，支持多种编程语言（如 Java、JavaScript、Python、R、Ruby 等），并提供了原生映像（Native Image）和即时编译（JIT）等先进技术。它在多个领域展现了强大的应用潜力，以下是 GraalVM 在实践中的具体应用场景及其优势的详细说明：

# 1. GraalVM 在 Web 服务中的应用

GraalVM 在 Web 服务领域的应用主要体现在其原生映像（Native Image）技术上。通过将 Java 应用编译为原生可执行文件，GraalVM 能够显著提升 Web 服务的性能。

优势：

  • 更快的启动时间：原生映像的启动时间通常在毫秒级别，远低于传统 JVM 的秒级启动时间。这对于需要快速扩展和缩放的云原生应用尤为重要。
  • 更低的内存占用：原生映像在运行时占用的内存更少，适合资源受限的环境（如容器化部署）。
  • 更高的性能：通过 AOT（Ahead-of-Time）编译，GraalVM 能够优化代码执行路径，减少运行时开销，从而提高吞吐量和响应速度。

实践案例：

  • Spring Boot 应用：Spring Boot 3 支持 GraalVM 原生映像，开发者可以将 Spring 应用编译为原生可执行文件，显著提升启动速度和资源利用率。
  • Quarkus 框架：Quarkus 是一个专为 GraalVM 优化的 Java 框架，适用于构建云原生 Web 服务。

示例：

将 Spring Boot 应用编译为原生映像：

./mvnw spring-boot:build-image

运行原生映像：

docker run --rm -p 8080:8080 my-app:0.0.1-SNAPSHOT

# 2. GraalVM 在数据科学和机器学习中的应用

GraalVM 支持多种编程语言（如 Python、R、JavaScript），并提供了跨语言互操作的能力，使其在数据科学和机器学习领域具有独特的优势。

优势：

  • 跨语言互操作：数据科学家可以在同一个应用中无缝集成 Python、R 和 Java 代码，充分利用各语言的优势。
  • 高性能计算：GraalVM 的 JIT 编译器能够优化计算密集型任务，提升数据处理和模型训练的效率。
  • 简化部署：通过原生映像技术，数据科学工作流可以打包为独立的可执行文件，简化部署和分发。

实践案例：

  • Python 与 Java 集成：使用 GraalVM 的 graalpython 模块，可以在 Java 应用中调用 Python 的机器学习库（如 TensorFlow、PyTorch）。
  • R 语言支持：通过 GraalVM 的 FastR 模块，可以在 Java 应用中调用 R 语言的数据分析函数。

示例：

在 Java 中调用 Python 代码：

import org.graalvm.polyglot.*;

public class DataScienceApp {
    public static void main(String[] args) {
        try (Context context = Context.create()) {
            Value result = context.eval("python", "1 + 2");
            System.out.println(result.asInt()); // 输出 3
        }
    }
}

# 3. GraalVM 在企业级应用中的应用

GraalVM 在企业级应用中的应用主要体现在其高性能、可扩展性和跨语言互操作性上，能够帮助企业优化技术栈并降低运维成本。

优势：

  • 性能优化：GraalVM 的 JIT 编译器能够显著提升 Java 应用的性能，适用于高并发、低延迟的企业级场景。
  • 资源利用率：通过原生映像技术，企业可以减少应用的内存占用和启动时间，从而降低云计算成本。
  • 技术整合：GraalVM 支持多种编程语言，帮助企业整合异构技术栈，例如将遗留系统与现代微服务架构相结合。

实践案例：

  • 微服务架构：企业可以将微服务编译为原生映像，提升服务的启动速度和资源利用率。
  • 跨语言集成：通过 GraalVM 的跨语言互操作性，企业可以在 Java 应用中集成 JavaScript、Python 或 R 的功能，例如在前端使用 JavaScript，在后端使用 Java。

示例：

在 Java 中调用 JavaScript 代码：

import org.graalvm.polyglot.*;

public class EnterpriseApp {
    public static void main(String[] args) {
        try (Context context = Context.create()) {
            Value result = context.eval("js", "1 + 2");
            System.out.println(result.asInt()); // 输出 3
        }
    }
}

# 4. GraalVM 在云原生和 Serverless 中的应用

GraalVM 的原生映像技术特别适合云原生和 Serverless 架构，能够显著提升应用的启动速度和资源利用率。

优势：

  • 快速启动：原生映像的毫秒级启动时间非常适合 Serverless 函数，能够减少冷启动时间。
  • 低内存占用：原生映像的内存占用更少，适合资源受限的云环境。
  • 简化部署：原生映像是独立的可执行文件，无需依赖 JVM，简化了部署流程。

实践案例：

  • AWS Lambda：将 Java 函数编译为原生映像，部署到 AWS Lambda，显著提升性能。
  • Kubernetes：在 Kubernetes 中部署原生映像，提升容器的启动速度和资源利用率。

示例：

将 Java 函数编译为原生映像并部署到 AWS Lambda：

native-image -jar my-function.jar
aws lambda create-function --function-name my-function --zip-file fileb://my-function.zip --handler my_function --runtime provided

# 5. GraalVM 在嵌入式系统中的应用

GraalVM 的低内存占用和快速启动特性使其非常适合嵌入式系统和 IoT 设备。

优势：

  • 低资源消耗：原生映像的内存占用更少，适合资源受限的嵌入式设备。
  • 高性能：GraalVM 的 JIT 编译器能够优化代码执行路径，提升性能。
  • 跨语言支持：嵌入式系统可以集成多种编程语言的功能，例如使用 Python 进行数据分析，使用 Java 进行控制逻辑。

实践案例：

  • 智能家居：在智能家居设备中运行原生映像，提升响应速度和资源利用率。
  • 工业物联网：在工业物联网设备中集成多种编程语言的功能，实现复杂的数据处理和控制逻辑。

# GraalVM的未来发展

GraalVM 自推出以来，凭借其多语言支持、高性能编译和原生映像技术，迅速成为 Java 生态系统中的重要工具。随着 GraalVM 17 版本的发布，其功能和性能得到了进一步优化，未来 GraalVM 的发展方向将更加聚焦于以下几个方面：

# 1. 更广泛的多语言支持

GraalVM 的核心优势之一是其多语言支持能力。未来，GraalVM 将继续扩展对更多编程语言的支持，并优化现有语言的运行时性能。

发展方向：

  • 新增语言支持：GraalVM 可能会支持更多编程语言，例如 Go、Kotlin 或 Swift，进一步扩展其多语言生态系统。
  • 语言性能优化：通过改进 JIT 编译器和运行时环境，提升 Python、R、Ruby 等语言的执行效率。
  • 跨语言互操作性增强：简化不同语言之间的数据交换和函数调用，使开发者能够更轻松地构建多语言应用。

示例：

未来，开发者可以在一个应用中无缝集成 Java、Python 和 Go 代码，充分利用各语言的优势：

import org.graalvm.polyglot.*;

public class MultiLanguageApp {
    public static void main(String[] args) {
        try (Context context = Context.create()) {
            Value pythonResult = context.eval("python", "1 + 2");
            Value goResult = context.eval("go", "3 + 4");
            System.out.println("Python: " + pythonResult.asInt()); // 输出 3
            System.out.println("Go: " + goResult.asInt()); // 输出 7
        }
    }
}

# 2. 原生映像技术的进一步优化

原生映像是 GraalVM 的核心特性之一，未来将继续优化其性能和兼容性，使其适用于更多场景。

发展方向：

  • 启动时间优化：通过改进静态分析和编译技术，进一步缩短原生映像的启动时间。
  • 内存占用降低：优化原生映像的内存管理，减少运行时内存占用。
  • 动态特性支持：增强对反射、动态代理和 JNI 等动态特性的支持，提升原生映像的兼容性。

实践案例：

未来，原生映像可能会支持更复杂的动态特性，例如动态类加载和反射调用，从而减少对 Reachability Metadata 的依赖。

# 3. 云原生和 Serverless 生态的深度集成

随着云原生和 Serverless 架构的普及，GraalVM 将继续优化其在这些领域的应用。

发展方向：

  • 冷启动优化：通过原生映像技术，进一步减少 Serverless 函数的冷启动时间。
  • 容器化支持：优化 GraalVM 在 Kubernetes 和 Docker 等容器平台中的运行性能。
  • 云服务集成：与主流云服务提供商（如 AWS、Azure、Google Cloud）深度集成，提供开箱即用的 GraalVM 支持。

示例：

未来，开发者可以轻松将 Java 函数编译为原生映像，并部署到 Serverless 平台：

native-image -jar my-function.jar
serverless deploy

# 4. AI 和机器学习的深度支持

GraalVM 的多语言支持和高性能计算能力使其在 AI 和机器学习领域具有巨大潜力。

发展方向：

  • AI 框架优化：优化对 TensorFlow、PyTorch 等主流 AI 框架的支持，提升模型训练和推理性能。
  • 跨语言机器学习：支持在 Java 应用中调用 Python 或 R 的机器学习库，实现跨语言的机器学习工作流。
  • GPU 加速：通过集成 CUDA 或其他 GPU 加速技术，提升 GraalVM 在深度学习任务中的性能。

示例：

未来，开发者可以在 Java 应用中直接调用 Python 的机器学习库：

import org.graalvm.polyglot.*;

public class MLApp {
    public static void main(String[] args) {
        try (Context context = Context.create()) {
            Value model = context.eval("python", "tensorflow.keras.models.load_model('my_model.h5')");
            Value result = model.execute("predict", inputData);
            System.out.println(result);
        }
    }
}

# 总结

GraalVM是Java虚拟机技术发展的重要成果，代表了从HotSpot到GraalVM的技术演进。

通过引入Graal编译器、Substrate VM、AOT编译等技术，GraalVM在性能、资源利用率和跨语言互操作性等方面取得了显著的优势。

GraalVM作为Java生态系统的重要创新，将对Java开发者和企业产生深远的影响。

通过使用GraalVM，开发者可以构建更高性能、更灵活的应用程序，同时降低部署和运维成本。

祝你变得更强!

编辑 (opens new window)
#GraalVM#Native Image#原生镜像#Java AOT
上次更新: 2025/01/19
JVMTI介绍
Freemarker模板

← Freemarker模板→

最近更新
01
Spring Boot版本新特性
09-15
02
Spring框架版本新特性
09-01
03
Spring Boot开发初体验
08-15
更多文章>
Theme by Vdoing | Copyright © 2018-2025 京ICP备2021021832号-2 | MIT License