前言

2018年4月，Oracle Labs新公開了一項黑科技：Graal VM，

這是一個在HotSpot虛擬機基礎上增強而成的跨語言全堆疊虛擬機，可以作為“任何語言”的運行平臺使用，

現在網路上關于 Graal VM 的相關資料并不多，還是要看官方檔案，本文旨在簡要介紹：

什么是 Graal VM？
Graal VM 有什么好處？
Graal VM 有什么缺點？
Graal VM 的作業原理是什么？
在 macOS 上安裝 Graal VM
將基于 Spring Boot 的 Java 應用程式編譯成本地應用程式

思維導圖

下面是一張 Graal VM 的簡要思維導圖，

一篇通俗易懂的文章：GraalVM：微服務時代的Java，

什么是 Graal VM

Graal VM 被官方稱為“Universal VM”和“Polyglot VM”，是一個在HotSpot虛擬機基礎上增強而成的跨語言全堆疊虛擬機，口號是“Run Programs Faster Anywhere”，可以在 Graal VM 上運行“任何語言”，這些語言包括：

基于 Java 虛擬機的語言：Java、Scala、Groovy、Kotlin 等；
基于 LLVM 的語言：C、C++、Rust；
其他語言：JavaScript、Ruby、Python和R語言等，

Graal VM可以無額外開銷地混合使用這些編程語言，支持不同語言中混用對方的介面和物件，也能夠支持這些語言使用已經撰寫好的本地庫檔案，

Graal VM 的好處

具體可參考官方檔案：Why GraalVM？

我認為最重要的特性是 Ahead-of-Time Compilation，Substrate VM 是一個在 Graal VM 0.20 版本里的極小型的運行時環境，包括了獨立的例外處理、同步調度、執行緒管理、記憶體管理（垃圾收集）和JNI訪問等組件，Substrate VM 還包含了一個本地鏡像的構造器（Native Image Generator），用戶可以通過本地鏡像構造器構建基于構建機器的可執行檔案，

構造器采用指標分析（Points-To Analysis）技術，從用戶提供的程式入口出發，搜索所有可達的代碼，在搜索的同時，它還將執行初始化代碼，并在最終生成可執行檔案時，將已初始化的堆保存至一個堆快照之中，

Substrate VM就可以直接從目標程式開始運行，而無須重復進行Java虛擬機的初始化程序，但相應地，原理上也決定了Substrate VM必須要求目標程式是完全封閉的，即不能動態加載其他編譯期不可知的代碼和類別庫，基于這個假設，Substrate VM才能探索整個編譯空間，并通過靜態分析推算出所有虛方法呼叫的目標方法，

使 Java 適應原生

以往單個服務需要 7*24 小時不間斷運行，需要單機高可用，此時 Java 服務就很適合，但是 Java 應用程式都需要運行在上百兆的 JRE 上，在微服務上就并不合適，

同時在微服務中，應用可以隨時拆分，每個應用并不需要很大的記憶體，而是需要快速啟動、隨時更新，也可能不需要長時間運行，Java 應用程式本來啟動就很慢，同時需要充分預熱才能夠獲取高性能，

GraalVM 提前編譯就提供了一種解決方案，官方給出使用了 GraalVm 后啟動時間能夠提高 50 倍，記憶體有 5 倍的下降，

Graal VM 的缺點

Java 語言在微服務天生就有劣勢，這是因為 Java 誕生之初的口號就是“一次撰寫，到處運行”，這個口號已經植入 Java 的基因中，如果想改變這些（真的要拿Java的劣勢去和別的語言的優勢相比），會有很多困難：

Java 語言的反射機制，使得在編譯期生成可執行檔案很困難，因為通過反射機制可以在運行期間動態呼叫API介面，這些在編譯期是無法感知的，除非放棄反射機制，或者在編譯時提供組態檔供反射呼叫，
ASM、CGLIB、Javassist位元組碼庫會在運行時生成、修改位元組碼，這些也沒法通過 AOT 編譯成原生代碼，比如 Spring 的依賴注入就使用了 CGLIB 增強，Spring 已經在新版本中適配了 GraalVM，可以關閉 CGLIB，
放棄 HotSpot 虛擬機本身的內部借款，因為在本地鏡像中，連 HotSpot 本身都被消滅了，
啟動時間、記憶體使用確實有大幅度優化，但是對于長時間運行的大型應用，未必有 HotSpot 的 Java 應用程式速度快，

Graal VM 的作業原理

Graal VM的基本作業原理是將這些語言的源代碼（例如JavaScript）或源代碼編譯后的中間格式（例如LLVM位元組碼）通過解釋器轉換為能被Graal VM接受的中間表示（Intermediate Representation，IR），譬如設計一個解釋器專門對LLVM輸出的位元組碼進行轉換來支持C和C++語言，這個程序稱為“程式特化”（Specialized，也常稱為Partial Evaluation），

Graal VM提供了Truffle工具集來快速構建面向一種新語言的解釋器，并用它構建了一個稱為Sulong的高性能LLVM位元組碼解釋器，

在 macOS 上安裝 Graal VM

Linux、Windows 等其他平臺可以參考 Install GraalVM，由于我使用 macOS，本篇文章介紹如何在 macOS 上安裝 Graal VM，基于 OpenJDK 11 的 GraalVM Community Edition，

安裝 Graal VM

macOS 上的 GraalVM 社區版是 tar.gz 檔案，JDK 的安裝目錄是：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/<graalvm>/Contents/Home

x86 64位的 macOS 安裝步驟如下：

在 GraalVM Releases repository on GitHub 上找到 graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz 下載，
解壓縮

tar -xvf graalvm-ce-java11-darwin-amd64-20.1.0.tar.gz

將檔案夾移動到 /Library/Java/JavaVirtualMachines 目錄下（需要使用 sudo），

sudo mv graalvm-ce-java11-20.1.0 /Library/Java/JavaVirtualMachines

檢測是否安裝成功，可以運行命令：

/usr/libexec/java_home -V

運行結果為：

Matching Java Virtual Machines (2):
    11.0.7, x86_64:	"GraalVM CE 20.1.0"	/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home
    1.8.0_201, x86_64:	"Java SE 8"	/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_201.jdk/Contents/Home

/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home

由于機器上可能存在多個 JDK，需要配置運行環境，

將 GraalVM bin 目錄加入 PATH 環境變數，

export PATH=/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home/bin:$PATH

設定 JAVA_HOME 環境變數，

export JAVA_HOME=/Library/Java/JavaVirtualMachines/graalvm-ce-java11-20.1.0/Contents/Home

注意：可能需要修改 bashc 組態檔，

安裝 GraalVM 組件

通過上述步驟，已經安裝好了 GraalVM 的基礎組件，如果需要額外支持 Python、R 等語言，需要使用 gu 組件，

gu install ruby
gu install r
gu install python
gu install wasm

安裝 GraalVM Native Image，運行命令：

gu install native-image

安裝 LLVM toolchain 組件，運行命令：

gu install llvm-toolchain

將基于 Spring Boot 的 Java 應用程式編譯成本地應用程式

可以參考 GitHub 的 spring-boot-graalvm 專案，這個專案里詳細列出了 GraalVM 編譯 Spring Boot Java 應用程式可能出現的所有問題，并對比了 Java 應用啟動與編譯成本地可執行的 Java 程式，

Spring與Graal VM共同維護的在Spring Graal Native專案已經提供了大多數Spring Boot組件的配置資訊（以及一些需要在代碼層面處理的Patch），我們只需要簡單依賴該工程即可，這樣 Graal VM 就能獲取編譯期的反射、動態代理等配置，我們只需要簡單依賴工程即可，

需要在 pom.xml 中增加依賴：

<dependency>
    <groupId>org.springframework</groupId>
    <artifactId>spring-context-indexer</artifactId>
    <optional>true</optional>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
    <artifactId>spring-graalvm-native</artifactId>
    <version>0.7.1</version>
</dependency>

指定啟動類的路徑：

<properties>
    <start-class>com.yano.workflow.WorkflowApplication</start-class>
</properties>

配置一個獨立的 profile，在編譯時通過 native-image-maven-plugin 插件將其編譯成本地可執行檔案，

<profiles>
    <profile>
        <id>native</id>
        <build>
            <plugins>
                <plugin>
                    <groupId>org.graalvm.nativeimage</groupId>
                    <artifactId>native-image-maven-plugin</artifactId>
                    <version>20.1.0</version>
                    <configuration>
                        <buildArgs>-J-Xmx4G -H:+TraceClassInitialization
                            -H:+ReportExceptionStackTraces
                            -Dspring.graal.remove-unused-autoconfig=true
                            -Dspring.graal.remove-yaml-support=true
                        </buildArgs>
                        <imageName>${project.artifactId}</imageName>
                    </configuration>
                    <executions>
                        <execution>
                            <goals>
                                <goal>native-image</goal>
                            </goals>
                            <phase>package</phase>
                        </execution>
                    </executions>
                </plugin>
                <plugin>
                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                </plugin>
            </plugins>
        </build>
    </profile>
</profiles>

該插件在 Maven 中央倉庫不存在，需要指定 pluginRepositories 和 repositories：

<repositories>
    <repository>
        <id>spring-milestones</id>
        <name>Spring Milestones</name>
        <url>https://repo.spring.io/milestone</url>
    </repository>
</repositories>
<pluginRepositories>
    <pluginRepository>
        <id>spring-milestones</id>
        <name>Spring Milestones</name>
        <url>https://repo.spring.io/milestone</url>
    </pluginRepository>
</pluginRepositories>

Graal VM不支持CGLIB，只能使用JDK動態代理，所以應當把Spring對普通類的Bean增強給關閉掉，Spring Boot 的版本要大于等于 2.2，SpringBootApplication 注解上將 proxyBeanMethods 引數設定為 false，

@SpringBootApplication(proxyBeanMethods = false)
public class SpringBootHelloApplication {

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

}

在命令列通過 maven 打包專案：

mvn -Pnative clean package

最終在 target 目錄能夠看到可執行檔案，大概在 50M 左右，相比 fat jar 為 17M，

java -jar target/spring-boot-graal-0.0.1-SNAPSHOT.jar

  .   ____          _            __ _ _
 /\\ / ___'_ __ _ _(_)_ __  __ _ \ \ \ \
( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \
 \\/  ___)| |_)| | | | | || (_| |  ) ) ) )
  '  |____| .__|_| |_|_| |_\__, | / / / /
 =========|_|==============|___/=/_/_/_/
 :: Spring Boot ::             (v2.3.0.M4)

2020-04-30 15:40:21.187  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Starting SpringBootHelloApplication v0.0.1-SNAPSHOT on PikeBook.fritz.box with PID 40149 (/Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm/target/spring-boot-graal-0.0.1-SNAPSHOT.jar started by jonashecht in /Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm)
2020-04-30 15:40:21.190  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : No active profile set, falling back to default profiles: default
2020-04-30 15:40:22.280  INFO 40149 --- [           main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer  : Netty started on port(s): 8080
2020-04-30 15:40:22.288  INFO 40149 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Started SpringBootHelloApplication in 1.47 seconds (JVM running for 1.924)

能夠通過命令列直接運行程式，啟動速度賊快，對比 Hello World web 普通應用程式，啟動時間是 1.47s，占用記憶體 491 MB，

而編譯成本地代碼的 Spring Boot 程式，啟動速度是 0.078s，占用記憶體 30 MB，

./spring-boot-graal

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

2020-05-01 10:25:31.200  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Starting SpringBootHelloApplication on PikeBook.fritz.box with PID 42231 (/Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm/target/native-image/spring-boot-graal started by jonashecht in /Users/jonashecht/dev/spring-boot/spring-boot-graalvm/target/native-image)
2020-05-01 10:25:31.200  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : No active profile set, falling back to default profiles: default
2020-05-01 10:25:31.241  WARN 42231 --- [           main] io.netty.channel.DefaultChannelId        : Failed to find the current process ID from ''; using a random value: 635087100
2020-05-01 10:25:31.245  INFO 42231 --- [           main] o.s.b.web.embedded.netty.NettyWebServer  : Netty started on port(s): 8080
2020-05-01 10:25:31.245  INFO 42231 --- [           main] i.j.s.SpringBootHelloApplication         : Started SpringBootHelloApplication in 0.078 seconds (JVM running for 0.08)

總結

本篇文章主要討論 GraalVM 和 Java 的關系，GraalVM 上能夠運行很多語言，可參考Why GraalVM，
注意 Graal 的環境變數配置，配置錯誤的話，是沒法編譯的，同時 JDK 11 需要高版本的 maven 版本，
Graal VM 和 GraalVM 是一個東東，官網是叫 GraalVM，但是其他地方都是 Graal VM……
為了適應原生，JDK 自身也在演進，
GraalVM 編譯的 Java 本地應用僅適用于一次性運行、短時間運行的場景，長時間運行還是傳統 Java 程式效率高，
本篇文章的 GitHub 地址：LjyYano/Thinking_in_Java_MindMapping

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標籤：Java

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通過 GraalVM 將 Java 程式編譯成本地機器碼！

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