【編者的話】云原生時代的來臨，與Java 開發(fā)者到底有什么聯(lián)系?有人說，云原生壓根不是為了 Java 存在的。然而，本文的作者卻認為云原生時代，Java 依然可以勝任“巨人”的角色。作者希望通過一系列實驗，開拓同學視野，提供有益思考。

在企業(yè)軟件領域，Java 依然是絕對王者，但它讓開發(fā)者既愛又恨。一方面因為其豐富的生態(tài)和完善的工具支持，可以極大提升了應用開發(fā)效率;但在運行時效率方面，Java 也背負著”內(nèi)存吞噬者“，“CPU 撕裂者“的惡名，持續(xù)受到 NodeJS、Python、Golang 等新老語言的挑戰(zhàn)。

在技術社區(qū)，我們經(jīng)常看到有人在唱衰 Java 技術，認為其不再符合云原生計算發(fā)展的趨勢。先拋開上面這些觀點，我們首先思考一下云原生對應用運行時的不同需求：

體積更小：對于微服務分布式架構而言，更小的體積意味著更少的下載帶寬，更快的分發(fā)下載速度。

啟動速度更快：對于傳統(tǒng)單體應用，啟動速度與運行效率相比不是一個關鍵的指標。原因是，這些應用重啟和發(fā)布頻率相對較低。然而對于需要快速迭代、水平擴展的微服務應用而言，更快的的啟動速度就意味著更高的交付效率，和更加快速的回滾。尤其當你需要發(fā)布一個有數(shù)百個副本的應用時，緩慢的啟動速度就是時間殺手。對于Serverless 應用而言，端到端的冷啟動速度則更為關鍵，即使底層容器技術可以實現(xiàn)百毫秒資源就緒，如果應用無法在 500ms 內(nèi)完成啟動，用戶就會感知到訪問延遲。

占用資源更少：運行時更低的資源占用，意味著更高的部署密度和更低的計算成本。同時，在 JVM 啟動時需要消耗大量 CPU資源對字節(jié)碼進行編譯，降低啟動時資源消耗，可以減少資源爭搶，更好保障其他應用 SLA。

支持水平擴展：JVM 的內(nèi)存管理方式導致其對大內(nèi)存管理的相對低效，一般應用無法通過配置更大的 heap size 實現(xiàn)性能提升，很少有 Java 應用能夠有效使用 16G 內(nèi)存或者更高。另一方面，隨著內(nèi)存成本的下降和虛擬化的流行，大內(nèi)存配比已經(jīng)成為趨勢。所以我們一般是采用水平擴展的方式，同時部署多個應用副本，在一個計算節(jié)點中可能運行一個應用的多個副本來提升資源利用率。

熱身準備

熟悉 Spring 框架的開發(fā)者大多對 Spring Petclinic 不會陌生。本文將借助這個著名示例應用來演示如何讓我們的 Java 應用變得更小、更快、更輕、更強大!

我們 fork 了 IBM 的 Michael Thompson 的示例，并做了一些調整。 

$ git clone https://github.com/denverdino/adopt-openj9-spring-boot 
$ cd adopt-openj9-spring-boot 

首先，我們會為 PetClinic 應用構建一個 Docker 鏡像。在 Dockerfile 中，我們利用 OpenJDK 作為基礎鏡像，安裝 Maven，下載、編譯、打包 Spring PetClinic 應用，最后設置鏡像的啟動參數(shù)完成鏡像構建。 

$ cat Dockerfile.openjdk 
FROM adoptopenjdk/openjdk8 
RUN sed -i 's/archive.ubuntu.com/mirrors.aliyun.com/' /etc/apt/sources.list 
RUN apt-get update 
RUN apt-get install -y \ 
    git \ 
    maven 
WORKDIR /tmp 
RUN git clone https://github.com/spring-projects/spring-petclinic.git 
WORKDIR /tmp/spring-petclinic 
RUN mvn install 
WORKDIR /tmp/spring-petclinic/target 
CMD ["java","-jar","spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar"] 

構建鏡像并執(zhí)行： 

$ docker build -t petclinic-openjdk-hotspot -f Dockerfile.openjdk . 
$ docker run --name hotspot -p 8080:8080 --rm petclinic-openjdk-hotspot 
              |\      _,,,--,,_ 
             /,`.-'`'   ._  \-;;,_ 
  _______ __|,4-  ) )_   .;.(__`'-'__     ___ __    _ ___ _______ 
 |       | '---''(_/._)-'(_\_)   |   |   |   |  |  | |   |       | 
 |    _  |    ___|_     _|       |   |   |   |   |_| |   |       | __ _ _ 
 |   |_| |   |___  |   | |       |   |   |   |       |   |       | \ \ \ \ 
 |    ___|    ___| |   | |      _|   |___|   |  _    |   |      _|  \ \ \ \ 
 |   |   |   |___  |   | |     |_|       |   | | |   |   |     |_    ) ) ) ) 
 |___|   |_______| |___| |_______|_______|___|_|  |__|___|_______|  / / / / 
 ==================================================================/_/_/_/ 
... 
2019-09-11 01:58:23.156  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat started on port(s): 8080 (http) with context path '' 
2019-09-11 01:58:23.158  INFO 1 --- [           main] o.s.s.petclinic.PetClinicApplication     : Started PetClinicApplication in 7.458 seconds (JVM running for 8.187) 

可以通過 http://localhost:8080/ 訪問應用界面。

檢查一下構建出的 Docker 鏡像， ”petclinic-openjdk-openj9“ 的大小為 871MB，而基礎鏡像 ”adoptopenjdk/openjdk8“ 僅有 300MB!這貨也太膨脹了! 

$ docker images petclinic-openjdk-hotspot 
REPOSITORY                  TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE 
petclinic-openjdk-hotspot   latest              469f73967d03        26 hours ago        871MB 

原因是：為了構建 Spring 應用，我們在鏡像中引入了一系列編譯時依賴，如 Git，Maven 等，并產(chǎn)生了大量臨時的文件。然而這些內(nèi)容在運行時是不需要的。

在著名的軟件12要素第五條明確指出了，”Strictly separate build and run stages.“ 嚴格分離構建和運行階段，不但可以幫助我們提升應用的可追溯性，保障應用交付的一致性，同時也可以減少應用分發(fā)的體積，減少安全風險。

鏡像瘦身

Docker 提供了 Multi-stage Build(多階段構建)，可以實現(xiàn)鏡像瘦身。

我們將鏡像構建分成兩個階段：

• 在 ”build“ 階段依然采用 JDK 作為基礎鏡像，并利用 Maven 進行應用構建;
• 在最終發(fā)布的鏡像中，我們會采用 JRE 版本作為基礎鏡像，并從”build“ 鏡像中直接拷貝出生成的 jar 文件。這意味著在最終發(fā)布的鏡像中，只包含運行時所需必要內(nèi)容，不包含任何編譯時依賴，大大減少了鏡像體積。 

$ cat Dockerfile.openjdk-slim 
FROM adoptopenjdk/openjdk8 AS build 
RUN sed -i 's/archive.ubuntu.com/mirrors.aliyun.com/' /etc/apt/sources.list 
RUN apt-get update 
RUN apt-get install -y \ 
    git \ 
    maven 
WORKDIR /tmp 
RUN git clone https://github.com/spring-projects/spring-petclinic.git 
WORKDIR /tmp/spring-petclinic 
RUN mvn install 
FROM adoptopenjdk/openjdk8:jre8u222-b10-alpine-jre 
COPY --from=build /tmp/spring-petclinic/target/spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar 
CMD ["java","-jar","spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar"] 

查看一下新鏡像大小，從 871MB 減少到 167MB! 

$ docker build -t petclinic-openjdk-hotspot-slim -f Dockerfile.openjdk-slim . 
... 
$ docker images petclinic-openjdk-hotspot-slim 
REPOSITORY                       TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE 
petclinic-openjdk-hotspot-slim   latest              d1f1ca316ec0        26 hours ago        167MB 

鏡像瘦身之后將大大加速應用分發(fā)速度，我們是否有辦法優(yōu)化應用的啟動速度呢?

從 JIT 到 AOT —啟動提速

為了解決 Java 啟動的性能瓶頸，我們首先需要理解 JVM 的實現(xiàn)原理。

為了實現(xiàn)“一次編寫，隨處運行”的能力，Java 程序會被編譯成實現(xiàn)架構無關的字節(jié)碼。JVM 在運行時將字節(jié)碼轉換成本地機器碼執(zhí)行。這個轉換過程決定了 Java 應用的啟動和運行速度。為了提升執(zhí)行效率，JVM 引入了 JIT compiler(Just in Time Compiler，即時編譯器)，其中 Sun/Oracle 公司的 HotSpot 是最著名 JIT 編譯器實現(xiàn)。

HotSpot 提供了自適應優(yōu)化器，可以動態(tài)分析、發(fā)現(xiàn)代碼執(zhí)行過程中的關鍵路徑，并進行編譯優(yōu)化。HotSpot 的出現(xiàn)極大提升了Java 應用的執(zhí)行效率，在 Java 1.4 以后成為了缺省的 VM 實現(xiàn)。但是 HotSpot VM 在啟動時才對字節(jié)碼進行編譯，一方面導致啟動時執(zhí)行效率不高，一方面編譯和優(yōu)化需要很多的 CPU 資源，拖慢了啟動速度。我們是否可以優(yōu)化這個過程，提升啟動速度呢?

熟悉 Java 江湖歷史的同學應該會知道 IBM J9 VM，它是用于 IBM 企業(yè)級軟件產(chǎn)品的一款高性能的 JVM，幫助 IBM 奠定了商業(yè)應用平臺中間件的霸主地位。2017 年 9 月，IBM 將 J9 捐獻給 Eclipse 基金會，并更名 Eclipse OpenJ9，開啟開源之旅。

OpenJ9 提供了 Shared Class Cache(SCC 共享類緩存)和 Ahead-of-Time(AOT 提前編譯)技術，顯著減少了 Java 應用啟動時間。

SCC 是一個內(nèi)存映射文件，包含了J9 VM 對字節(jié)碼的執(zhí)行分析信息和已經(jīng)編譯生成的本地代碼。開啟 AOT 編譯后，會將 JVM 編譯結果保存在 SCC 中，在后續(xù) JVM 啟動中可以直接重用。與啟動時進行的 JIT 編譯相比，從 SCC 加載預編譯的實現(xiàn)要快得多，而且消耗的資源要更少。啟動時間可以得到明顯改善。

我們開始構建一個包含 AOT 優(yōu)化的 Docker 應用鏡像： 

$cat Dockerfile.openj9.warmed 
FROM adoptopenjdk/openjdk8-openj9 AS build 
RUN sed -i 's/archive.ubuntu.com/mirrors.aliyun.com/' /etc/apt/sources.list 
RUN apt-get update 
RUN apt-get install -y \ 
    git \ 
    maven 
WORKDIR /tmp 
RUN git clone https://github.com/spring-projects/spring-petclinic.git 
WORKDIR /tmp/spring-petclinic 
RUN mvn install 
FROM adoptopenjdk/openjdk8-openj9:jre8u222-b10_openj9-0.15.1-alpine 
COPY --from=build /tmp/spring-petclinic/target/spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar 
# Start and stop the JVM to pre-warm the class cache 
RUN /bin/sh -c 'java -Xscmx50M -Xshareclasses -Xquickstart -jar spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar &' ; sleep 20 ; ps aux | grep java | grep petclinic | awk '{print $1}' | xargs kill -1 
CMD ["java","-Xscmx50M","-Xshareclasses","-Xquickstart", "-jar","spring-petclinic-2.1.0.BUILD-SNAPSHOT.jar"] 

其中 Java 參數(shù) -Xshareclasses 開啟SCC，-Xquickstart 開啟AOT。

在 Dockerfile 中，我們運用了一個技巧來預熱 SCC。在構建過程中啟動 JVM 加載應用，并開啟 SCC 和 AOT，在應用啟動后停止 JVM。這樣就在 Docker 鏡像中包含了生成的 SCC 文件。

然后，我們來構建 Docker 鏡像并啟動測試應用： 

$ docker build -t petclinic-openjdk-openj9-warmed-slim -f Dockerfile.openj9.warmed-slim . 
$ docker run --name hotspot -p 8080:8080 --rm petclinic-openjdk-openj9-warmed-slim 
... 
2019-09-11 03:35:20.192  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat started on port(s): 8080 (http) with context path '' 
2019-09-11 03:35:20.193  INFO 1 --- [           main] o.s.s.petclinic.PetClinicApplication     : Started PetClinicApplication in 3.691 seconds (JVM running for 3.952) 
... 

可以看到，啟動時間已經(jīng)從之前的 8.2s 減少到 4s，提升近50%。

在這個方案中，我們一方面將耗時耗能的編譯優(yōu)化過程轉移到構建時完成，一方面采用以空間換時間的方法，將預編譯的 SCC 緩存保存到 Docker 鏡像中。在容器啟動時，JVM 可以直接使用內(nèi)存映射文件來加載 SCC，優(yōu)化了啟動速度和資源占用。

這個方法另外一個優(yōu)勢是：由于 Docker 鏡像采用分層存儲，同一個宿主機上的多個 Docker 應用實例會共享同一份 SCC 內(nèi)存映射，可以大大減少在單機高密度部署時的內(nèi)存消耗。

下面我們做一下資源消耗的比較，我們首先利用基于 HotSpot VM 的鏡像，同時啟動 4 個 Docker 應用實例，30s 后利用docker stats查看資源消耗。 

$ ./run-hotspot-4.sh 
... 
Wait a while ... 
CONTAINER ID        NAME                CPU %               MEM USAGE / LIMIT     MEM %               NET I/O             BLOCK I/O           PIDS 
0fa58df1a291        instance4           0.15%               597.1MiB / 5.811GiB   10.03%              726B / 0B           0B / 0B             33 
48f021d728bb        instance3           0.13%               648.6MiB / 5.811GiB   10.90%              726B / 0B           0B / 0B             33 
a3abb10078ef        instance2           0.26%               549MiB / 5.811GiB     9.23%               726B / 0B           0B / 0B             33 
6a65cb1e0fe5        instance1           0.15%               641.6MiB / 5.811GiB   10.78%              906B / 0B           0B / 0B             33 
... 

然后使用基于 OpenJ9 VM 的鏡像，同時啟動 4 個 Docker 應用實例，并查看資源消耗。 

$ ./run-openj9-warmed-4.sh 
... 
Wait a while ... 
CONTAINER ID        NAME                CPU %               MEM USAGE / LIMIT     MEM %               NET I/O             BLOCK I/O           PIDS 
3a0ba6103425        instance4           0.09%               119.5MiB / 5.811GiB   2.01%               1.19kB / 0B         0B / 446MB          39 
c07ca769c3e7        instance3           0.19%               119.7MiB / 5.811GiB   2.01%               1.19kB / 0B         16.4kB / 120MB      39 
0c19b0cf9fc2        instance2           0.15%               112.1MiB / 5.811GiB   1.88%               1.2kB / 0B          22.8MB / 23.8MB     39 
95a9c4dec3d6        instance1           0.15%               108.6MiB / 5.811GiB   1.83%               1.45kB / 0B         102MB / 414MB       39 
... 

與 HotSpot VM 相比，OpenJ9 的場景下應用內(nèi)存占用從平均 600MB 下降到 120MB。驚喜不驚喜?

通常而言，HotSpot JIT 比 AOT 可以進行更加全面和深入的執(zhí)行路徑優(yōu)化，從而有更高的運行效率。為了解決這個矛盾，OpenJ9 的 AOT SCC 只在啟動階段生效，在后續(xù)運行中會繼續(xù)利用JIT進行分支預測、代碼內(nèi)聯(lián)等深度編譯優(yōu)化。

HotSpot 在 Class Data Sharing (CDS) 和 AOT 方面也有了很大進展，但是 IBM J9 在這方面更加成熟。期待阿里的 Dragonwell 也提供相應的優(yōu)化支持。

思考：與 C/C++，Golang, Rust 等靜態(tài)編譯語言不同，Java 采用 VM 方式運行，提升了應用可移植性的同時犧牲了部分性能。我們是否可以將 AOT 做到極致?完全移除字節(jié)碼到本地代碼的編譯過程?

原生代碼編譯

為了將 Java 應用編譯成本地可執(zhí)行代碼，我們首先要解決 JVM 和應用框架在運行時的動態(tài)性挑戰(zhàn)。JVM 提供了靈活的類加載機制，Spring 的依賴注入(DI，Dependency-injection)可以實現(xiàn)運行時動態(tài)類加載和綁定。在 Spring 框架中，反射，Annotation 運行時處理器等技術也被廣泛應用。這些動態(tài)性一方面提升了應用架構的靈活性和易用性，另一方面也降低了應用的啟動速度，使得 AOT 原生編譯和優(yōu)化變得非常復雜。

為了解決這些挑戰(zhàn)，社區(qū)有很多有趣的探索，Micronaut 是其中一個優(yōu)秀代表。與 Spring 框架序不同，Micronaut 提供了編譯時的依賴注入和AOP處理能力，并最小化反射和動態(tài)代理的使用。Micronaut 應用有著更快的啟動速度和更低的內(nèi)存占用。更加讓我們更感興趣的是 Micronaut 支持與 GraalVM 配合，可以將 Java 應用編譯成為本地執(zhí)行代碼全速運行。

注：GraalVM 是 Oracle 推出的一種新型通用虛擬機，支持多種語言，可以將Java應用程序編譯為本地原生應用。

下面開始我們的探險，我們利用 Mitz 提供的 Micronaut 版本 PetClinic 示例工程并做了一點點調整。(使用 Graal VM 19.2) 

$ git clone https://github.com/denverdino/micronaut-petclinic 
$ cd micronaut-petclinic 

其中 Docker 鏡像的內(nèi)容如下： 

$ cat Dockerfile 
FROM maven:3.6.1-jdk-8 as build 
COPY ./ /micronaut-petclinic/ 
WORKDIR /micronaut-petclinic 
RUN mvn package 
FROM oracle/graalvm-ce:19.2.0 as graalvm 
RUN gu install native-image 
WORKDIR /work 
COPY --from=build /micronaut-petclinic/target/micronaut-petclinic-*.jar . 
RUN native-image --no-server -cp micronaut-petclinic-*.jar 
FROM frolvlad/alpine-glibc 
EXPOSE 8080 
WORKDIR /app 
COPY --from=graalvm /work/petclinic . 
CMD ["/app/petclinic"] 

其中：

• 在 "build" 階段，利用Maven構建 Micronaut 版本的 PetClinic 應用
• 在 "graalvm" 階段，我們通過 native-image 將 PetClinic jar 文件轉化成可執(zhí)行文件
• 在最終階段，將本地可執(zhí)行文件加入一個 Alpine Linux 基礎鏡像

構建應用：

$ docker-compose build 

啟動測試數(shù)據(jù)庫：

$ docker-compose up db 

啟動測試應用： 

$ docker-compose up app 
micronaut-petclinic_db_1 is up-to-date 
Starting micronaut-petclinic_app_1 ... done 
Attaching to micronaut-petclinic_app_1 
app_1  | 04:57:47.571 [main] INFO  org.hibernate.dialect.Dialect - HHH000400: Using dialect: org.hibernate.dialect.PostgreSQL95Dialect 
app_1  | 04:57:47.649 [main] INFO  org.hibernate.type.BasicTypeRegistry - HHH000270: Type registration [java.util.UUID] overrides previous : org.hibernate.type.UUIDBinaryType@5f4e0f0 
app_1  | 04:57:47.653 [main] INFO  o.h.tuple.entity.EntityMetamodel - HHH000157: Lazy property fetching available for: com.example.micronaut.petclinic.owner.Owner 
app_1  | 04:57:47.656 [main] INFO  o.h.e.t.j.p.i.JtaPlatformInitiator - HHH000490: Using JtaPlatform implementation: [org.hibernate.engine.transaction.jta.platform.internal.NoJtaPlatform] 
app_1  | 04:57:47.672 [main] INFO  io.micronaut.runtime.Micronaut - Startup completed in 159ms. Server Running: http://1285c42bfcd5:8080 

應用啟動速度如閃電般提升至 159ms，僅有 HotSpot VM 的1/50!

Micronaut 和 Graal VM 還在快速發(fā)展中，遷移一個 Spring 應用還有不少工作需要考慮。此外 Graal VM 的調試、監(jiān)控等工具鏈還不夠完善。但是這已經(jīng)讓我們看到了曙光，Java 應用和 Serverless 的世界不再遙遠。

總結與后記

作為進擊的巨人，Java 技術在云原生時代也在不停地進化。在JDK 8u191 和 JDK 10 之后，JVM 增強了在 在 Docker 容器中對資源的感知。同時社區(qū)也在多個不同方向探索 Java 技術棧的邊界。JVM OpenJ9 作為傳統(tǒng)VM的一員，在對現(xiàn)有 Java 應用保持高度兼容的同時，對啟動速度和內(nèi)存占用做了細致的優(yōu)化，比較適于與現(xiàn)有 Spring 等微服務架構配合使用。

而 Micronaut/Graal VM 則另辟蹊徑，通過改變編程模型和編譯過程，將應用的動態(tài)性盡可能提前到編譯時期處理，極大優(yōu)化了應用啟動時間，在 Serverless 領域前景可期。這些設計思路都值得我們借鑒。

在云原生時代，我們要能夠在橫向的應用開發(fā)生命周期中，將開發(fā)、交付、運維過程進行有效的分割和重組，提升研發(fā)協(xié)同效率;并且要能在整個縱向軟件技術棧中，在編程模型、應用運行時和基礎設施等多層面進行系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn) radical simplification，提升系統(tǒng)效率。

感謝這個時代，感謝所有幫助和支持我們的小伙伴，感謝所有追夢的技術人，我們一起開拓云原生的未來。