近几年“原生”一词一直泛滥在云计算、边缘计算等领域中，而原生宠幸的语言也一直都是Golang，Rust等脱离Sandbox运行的开发语言。Java得益于上世纪流行的一次编译，到处执行的理念，流行至今，但也因为这个原因，导致Java程序脱离不了JVM运行环境，使得不那么受原生程序的青睐。在云原生泛滥的今天，臃肿的JVM使Java应用程序对比其他语言显得无比的庞大，各路大神也想了很多方式让Java变的更“原生”。最近Spring推出了Spring Native概念，并参考了其他大牛的文章后，今天我们就一探如何让用Spring Boot编写原生应用。
Spring Native借助GraalVM native-image编译器来编译Spring应用，所以我们需要先来了解一下GraalVM。大部分脚本语言或者有动态特效的语言都需要一个语言虚拟机运行，比如CPython，Lua，Erlang，Java，Ruby，R，JS，PHP，Perl，APL等等，但是这些语言的虚拟机水平参差不齐，例如JVM的HotSpotVM、JS的V8都是“艺术”级别的，但CPython的VM就不忍直视。那能不能用一个“艺术”级别的虚拟机跑所有的语言呢？GraalVM就是这么一个高性能的救世主，它使用运行在JVM上的Truffle语言框架，将AST节点编译为机器代码，使用户只需要实现具体语言AST解释器，就能实现性能足够好的虚拟机，而实现这个编译器也是一个Java写的即时编译器Graal，GraalVM也因此得名。
也许有同学会问了怎么用Java语言编译Java代码呢，而且还是这么高性能？这我们就要说说JEP 243的JVMCI。众所周知，HotSpot JVM内置了两个C++写的即时编译器（JIT）C1和C2，一般频繁的代码先用C1编译，如果热点继续，那么会使用C2编译。JVMCI相当于把本该交给C2编译的代码交给高级JIT：Graal编译，说到底就是将一段byte[]在运行时换成另一段byte[]。
那像Go和C/C++这类语言是否也能运行在JVM上呢？答案是肯定的。解决方案是将C/C++这些语言用一些工具（如Clang）转换为LLVM IR，然后使用基于Truffle的AST解释LLVM IR即可。（但，我们为啥要这么做？？）
到目前为止，几乎所有的语言都能在以JVM为基础，以Graal即时编译器为核心的虚拟机上运行起来了，但大家已经一定疑惑了，程序运行需要依赖JVM，而JVM必须提前安装JDK环境，而且自身启动慢，内存负载高，就不能把程序直接打包成平台相关可执行文件吗？答案是SubstrateVM，它借助Graal编译器，可以将Java程序AOT编译为可执行程序。所以万能的Graal编译器不仅能JIT，还能AOT。
好了，我们这些“CRUD仔”们了解这些基础魔法就足够了，至于SVM如何解决反射、GC等问题的高级魔法还是交给大牛们吧。现在进入我们的正题：用Spring Boot来编写一个原生应用。
制作过程
Step 1：安装GraalVM和依赖工具
因为大家都比较熟悉JDK安装过程，所以本过程带过了一些细节，不做重点讲解。首先我们需要安装GraalVM，笔者以自己的macOS系统为例，其他系统请参考官方安装文档。比较遗憾的是，GraalVM并没有提供针对M1优化的AArch64平台的包，我们只能使用AMD64平台，下载地址点击这里[1]，我们使用Java 17版本的darwin压缩包，解压至：
1/Library/Java/JavaVirtualMachines/
并且设置JAVA_HOME：
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2export GRAALVM17_HOME=$(/usr/libexec/java_home -v 17) export JAVA_HOME=$GRAALVM17_HOME
为了使用方便也可以设置Alias：
1alias java17g='export JAVA_HOME=$GRAALVM17_HOME;java -version'
由于macOS的安全限制，需要删除quarantine：
1$ sudo xattr -r -d com.apple.quarantine $GRAALVM17_HOME
我们依然需要Maven作为本次探索的打包工具，请大家自行安装Maven，这里不再赘述。一切安装完成，我们可以运行java -version和mvn -v来验证一下安装是否成功。
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4$ java -version openjdk version "17.0.1" 2021-10-19 OpenJDK Runtime Environment GraalVM CE 21.3.0 (build 17.0.1+12-jvmci-21.3-b05) OpenJDK 64-Bit Server VM GraalVM CE 21.3.0 (build 17.0.1+12-jvmci-21.3-b05, mixed mode, sharing)
最后，我们需要安装native-image作为原生代码编译工具：
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2$ cd $GRAALVM_HOME/bin $ ./gu install native-image
当然，Xcode工具包因为包含GCC等工具，也必须安装，如已经安装可跳过。
1$ sudo xcode-select --install
Step 2：建立Spring Boot应用
按着官方的向导建立一个基于Spring Boot 2.6.2版本，Java版本使用1.8的Web应用。注意一定要使用最新的2.6.2+版本，否则不支持AOT功能。并且，Java版本也只支持1.8。目录如下：
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20. ├── HELP.md ├── pom.xml ├── src │ ├── main │ │ ├── java │ │ │ └── com │ │ │ └── ajk │ │ │ └── testspringnative │ │ │ └── TestSpringNativeApplication.java │ │ └── resources │ │ ├── application.yml │ │ ├── static │ │ └── templates │ └── test │ └── java │ └── com │ └── ajk │ └── testspringnative │ └── TestSpringNativeApplicationTests.java
其中TestSpringNativeApplication代码如下：
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20import org.springframework.boot.SpringApplication; import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication; import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping; import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam; import org.springframework.web.bind.annotation.RestController; @SpringBootApplication @RestController public class TestSpringNativeApplication { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(TestSpringNativeApplication.class, args); } @GetMapping("/hello") public String hello(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "World") String name) { return String.format("Hello %s!", name); } }
配置文件application.yml代码如下：
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11server: port: 9000 shutdown: graceful spring: profiles: active: default logging: level: root: info
Step 3：配置Maven
为了方便演示，我们使用了最简单的代码和配置，重点是Maven的配置，以至于我需要用整个Step来说明。
由于使用了官方向导生成的项目，所以基础pom.xml文件如下：
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38<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 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd"> <modelVersion>4.0.0</modelVersion> <parent> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId> <version>2.6.2</version> <relativePath/> <!-- lookup parent from repository --> </parent> <groupId>com.ajk</groupId> <artifactId>test-spring-native</artifactId> <version>0.0.1-SNAPSHOT</version> <name>test-spring-native</name> <description>test-spring-native</description> <properties> <java.version>1.8</java.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-starter-test</artifactId> <scope>test</scope> </dependency> <dependencies> <build> <plugins> <plugin> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId> </plugin> </plugins> </build> </project>
接下来我们开始配置Spring Boot Native，官方有两种方式实现编译原生应用：
用Spring Boot Buildpacks生成包含原生应用的OCI容器。
用GraalVM native image Maven plugin生成原生应用。
由于篇幅关系，这里只介绍第二种方式，即编译为原生应用。
首先增加包和插件依赖库：
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16<repositories> <!-- ... --> <repository> <id>spring-release</id> <name>Spring release</name> <url>https://repo.spring.io/release</url> </repository> </repositories> <pluginRepositories> <!-- ... --> <pluginRepository> <id>spring-release</id> <name>Spring release</name> <url>https://repo.spring.io/release</url> </pluginRepository> </pluginRepositories>
再次确认我们的Spring Boot版本为2.6.2（因为Spring Native 0.11.1版本支持此版本），并添加如下依赖：
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8<dependencies> <!-- ... --> <dependency> <groupId>org.springframework.experimental</groupId> <artifactId>spring-native</artifactId> <version>0.11.1</version> </dependency> </dependencies>
添加Spring AOT部署插件：
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24<build> <plugins> <!-- ... --> <plugin> <groupId>org.springframework.experimental</groupId> <artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId> <version>0.11.1</version> <executions> <execution> <id>generate</id> <goals> <goal>generate</goal> </goals> </execution> <execution> <id>test-generate</id> <goals> <goal>test-generate</goal> </goals> </execution> </executions> </plugin> </plugins> </build>
再添加原生编译插件，这里使用一个profile来更好的管理：
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35<profiles> <profile> <id>native</id> <build> <plugins> <plugin> <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId> <artifactId>native-maven-plugin</artifactId> <version>0.9.9</version> <extensions>true</extensions> <executions> <execution> <id>build-native</id> <goals> <goal>build</goal> </goals> <phase>package</phase> </execution> </executions> <configuration> <!-- ... --> </configuration> </plugin> <!-- Avoid a clash between Spring Boot repackaging and native-maven-plugin --> <plugin> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId> <configuration> <classifier>exec</classifier> </configuration> </plugin> </plugins> </build> </profile> </profiles>
一切妥当！开始编译吧！
1$ mvn clean -Pnative -DskipTests package
官方推荐编译的机器不能少于8核8G内存，否则编译工具会报错。在我的M1的机器上，编译大概需要10分钟左右，编译时CPU峰值使用率大概在50%，内存占用6.9GB。
简单评测
首先看一下编译文件大小对比：
fatjar包文件为17.8M（不包含JRE），原生可执行文件为68.2M。
使用spring-boot-maven-plugin生成包含JRE运行环境的容器镜像大小为270M，而使用Tiny Core Linux+原生应用的形式，镜像大小可以控制在100M以内，为96M。压缩比达到35%之多。
再来看看启动速度对比：
fatjar启动时间为8.2s
原生文件启动时间为5.6s
程序使用CPU和内存对比：
fatjar空载CPU 0.5%，内存使用528M
原生应用空载CPU 0.3%，内存使用85M
如下表格：
| FatJar包 | Native包 | |
| 应用大小 | 17.8M | 68.2M |
| 容器镜像大小 | 270M | 96M |
| 启动速度 | 8.2s | 5.6s |
| 空载CPU | 0.5% | 0.3% |
| 空载内存 | 528M | 85M |
总体来讲，原生应用从产物大小，启动速度，运行负载来讲都优与Jar包应用，这还是在没有针对arm的指令集做优化的基础上的，但对比官方宣传的内存使用20M内存占用还有一定差距。
总结
经过几天折腾，GraalVM的性能即使不编译为原生应用也优于HotSpot VM，在编译为原生应用后，性能也有一定的提升。但目前Spring Native还不够成熟，笔者想用undertow代替Tomcat Web容器而编译后的原生应用，始终无法运行。相信后面版本应该会修复一些问题。
本文总结了一种编译原生的方式，另一种生成原生镜像的方式大家可以自行研究（注意，编译成原生镜像需要阅读大量文章）。另外，由于时间有限，在两者的压测过程中，原生应用GC回收内存速度快于jar包应用，大家也可以深入研究原生内存回收方式。
所有代码可在GitHub[2]上参考。
相关链接：
https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases
https://github.com/huang-kai/test-spring-native
参考资料：
https://www.graalvm.org/docs/introduction/
https://docs.spring.io/spring-native/docs/current/reference/htmlsingle/
https://openjdk.java.net/jeps/243
http://trufflesuite.com/truffle/
https://github.com/graalvm/labs-openjdk-17
作者：黄凯，58安居客新房技术部负责人。
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最后
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