文章目录
- 1、什么是GraalVM
- 2、GraalVM的两种模式
- 1_JIT模式
- 2_AOT模式
- 3_总结
- 3、应用场景
- 1_SpringBoot搭建GraalVM应用
- 2_函数计算
- 3_Serverless应用
- 4、参数优化和故障诊断
- 1_内存快照文件的获取
- 2_运行时数据的获取
1、什么是GraalVM
GraalVM是Oracle官方推出的一款高性能JDK，使用它享受比OpenJDK或者OracleJDK更好的性能。
GraalVM的官方网址：https://www.graalvm.org/
官方标语：Build faster, smaller, leaner applications。
更低的CPU、内存使用率:
官方标语：Build faster, smaller, leaner applications。
- 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）。企业版相比较社区版，在性能上有更多的优化。
| 特性 | 描述 | 社区版 | 企业版 |
|---|---|---|---|
| 收费 | 是否收费 | 免费 | 收费 |
| G1 垃圾回收器 | 使用G1垃圾回收器优化垃圾回收性能 | × | √ |
| Profile Guided Optimization（PGO） | 运行过程中收集动态数据，进一步优化本地镜像的性能 | × | √ |
| 高级优化特性 | 更多优化技术，降低内存和垃圾回收的开销 | × | √ |
| 高级优化参数 | 更多的高级优化参数可以设置 | × | √ |
linux可以使用如下命令查看系统架构，根据架构在https://www.graalvm.org/downloads/ 中下载社区版的GraalVM：
arch
- 注意：安装方式和正常的JDK相同。
2、GraalVM的两种模式
- JIT（ Just-In-Time ）模式 ，即时编译模式。也叫作 Java HotSpot VM 模式。
- AOT（Ahead-Of-Time）模式 ，提前编译模式。也叫作 Native Image 模式。
1_JIT模式
JIT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更高性能的机器码。
注意：
-XX:-UseJVMCICompiler参数可以关闭GraalVM中的Graal编译器。
特点：
- 即时编译 (JIT)： GraalVM作为JIT编译器在运行时编译字节码，从而获得高性能的优化。
- 兼容性高： 完全兼容标准的Java应用程序，可以无缝替换标准的HotSpot VM。
- 动态优化： 能根据运行时的实际情况不断优化代码，提高性能。
- 多语言支持： 支持多种语言（如JavaScript、Ruby、Python等），可以在同一VM上运行和交互。
2_AOT模式
AOT（Ahead-Of-Time）模式 ，提前编译模式
AOT 编译器通过源代码，为特定平台创建可执行文件。比如，在Windows下编译完成之后，会生成exe文件。通过这种方式，达到启动之后获得最高性能的目的。但是不具备跨平台特性，不同平台使用需要单独编译。
这种模式生成的文件称之为Native Image本地镜像。
特点：
- 提前编译 (AOT)： 在编译时将Java字节码转换为本地机器代码，生成一个独立的可执行文件。
- 启动速度快： 由于不需要JVM的启动和字节码解释，启动时间显著减少。
- 低内存占用： 没有JVM运行时的开销，内存使用更少。
- 不支持动态特性： 由于提前编译，动态类加载、反射等特性受限。
使用GraalVM AOT模式制作本地镜像并运行。
步骤：
1、安装Linux环境本地镜像制作需要的依赖库：
https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/#prerequisites
2、使用 native-image 类名 制作本地镜像。
native-image ClassName
3、最后会生成本地可执行文件。
社区版的GraalVM使用本地镜像模式性能不如Hotspot JVM的JIT模式，但是企业版的性能相对会高很多。
3_总结
| 特性 | Java HotSpot VM 模式 | Native Image 模式 |
|---|---|---|
| 编译方式 | 即时编译 (JIT) | 提前编译 (AOT) |
| 启动时间 | 较慢 | 非常快 |
| 运行时性能 | 高，动态优化 | 固定优化 |
| 内存使用 | 较高 | 较低 |
| 兼容性 | 高，支持所有Java特性 | 较低，不完全支持动态类加载和反射 |
| 适用场景 | 高性能、多语言混合应用 | 快速启动、低内存占用的应用 |
| 多语言支持 | 是 | 否（主要针对单语言编译） |
| 调试和监控工具支持 | 完整的JVM调试和监控工具支持 | 有限的调试和监控支持 |
根据具体应用需求选择适合的模式，可以充分利用GraalVM的优势。对于高性能和需要动态优化的场景，JIT 模式是更好的选择；对于需要快速启动和低内存使用的场景，AOT 模式则更为合适。
3、应用场景
GraalVM的AOT模式虽然在启动速度、内存和CPU开销上非常有优势，但是使用这种技术会带来几个问题：
- 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。
- 使用框架之后，编译本地镜像的时间比较长，同时也需要消耗大量的CPU和内存。
- AOT 编译器在编译时，需要知道运行时所有可访问的所有类。但是Java中有一些技术可以在运行时创建类，例如反射、动态代理等。这些技术在很多框架比如Spring中大量使用，所以框架需要对AOT编译器进行适配解决类似的问题。
解决方案：
- 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是一致的，同时解决了编译资源问题。
- 使用SpringBoot3等整合了GraalVM AOT模式的框架版本。
1_SpringBoot搭建GraalVM应用
需求：
SpringBoot3对GraalVM进行了完整的适配，所以编写GraalVM服务推荐使用SpringBoot3。
步骤：
-
使用 https://start.spring.io/spring 提供的在线生成器构建项目。
-
编写业务代码
-
执行以下命令生成本地镜像：
mvn -Pnative clean native:compile -
运行本地镜像。
什么场景下需要使用GraalVM呢？
- 对性能要求比较高的场景，可以选择使用收费的企业版提升性能。
- 公有云的部分服务是按照CPU和内存使用量进行计费的，使用GraalVM可以有效地降低费用。
2_函数计算
传统的系统架构中，服务器等基础设施的运维、安全、高可用等工作都需要企业自行完成，存在两个主要问题：
- 开销大，包括了人力的开销、机房建设的开销。
- 资源浪费，面对一些突发的流量冲击，比如秒杀等活动，必须提前规划好容量准备好大量的服务器，这些服务器在其他时候会处于闲置的状态，造成大量的浪费。
随着虚拟化技术、云原生技术的愈发成熟，云服务商提供了一套称为Serverless无服务器化的架构。企业无需进行服务器的任何配置和部署，完全由云服务商提供。比较典型的有亚马逊AWS、阿里云等。
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，每个函数会以事件驱动的方式触发。典型代表有AWS的Lambda、阿里云的FC。
函数计算主要应用场景有如下几种：
- 小程序、API服务中的接口，此类接口的调用频率不高，使用常规的服务器架构容易产生资源浪费，使用Serverless就可以实现按需付费降低成本，同时支持自动伸缩能应对流量的突发情况。
- 大规模任务的处理，比如音视频文件转码、审核等，可以利用事件机制当文件上传之后，自动触发对应的任务。
- 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的成本。
使用：可以去阿里云官网搜索查看相关配置。
3_Serverless应用
函数计算的服务资源比较受限，比如AWS的Lambda服务一般无法支持超过15分钟的函数执行，所以云服务商提供了另外一套方案：基于容器的Serverless应用，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。
同样，Serverless应用的计费标准中包含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的成本。
| 服务分类 | 交付模式 | 弹性效率 | 计费模式 |
|---|---|---|---|
| 函数计算 | 函数 | 毫秒级 | 调用次数CPU内存使用量 |
| Serverless应用 | 镜像容器 | 秒级 | CPU内存使用量 |
步骤：
1、在项目中编写Dockerfile文件。
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相关的镜像服务器在国外，建议使用阿里云的镜像服务器制作Docker镜像。
3、配置Serverless应用，选择容器镜像、CPU和内存。
4、绑定外网负载均衡并使用Postman进行测试。需要先创建弹性公网IP:
4、参数优化和故障诊断
由于GraalVM是一款独立的JDK，所以大部分HotSpot中的虚拟机参数都不适用。常用的参数参考：官方手册。
- 社区版只能使用串行垃圾回收器（Serial GC），使用串行垃圾回收器的默认最大 Java 堆大小会设置为物理内存大小的 80%，调整方式为使用 -Xmx最大堆大小。如果希望在编译期就指定该大小，可以在编译时添加参数 -R:MaxHeapSize=最大堆大小。
- G1垃圾回收器只能在企业版中使用，开启方式为添加
--gc=G1参数，有效降低垃圾回收的延迟。 - 另外提供一个Epsilon GC，开启方式：
--gc=epsilon，它不会产生任何的垃圾回收行为所以没有额外的内存、CPU开销。如果在公有云上运行的程序生命周期短暂不产生大量的对象，可以使用该垃圾回收器，以节省最大的资源。
-XX:+PrintGC -XX:+VerboseGC 参数打印垃圾回收详细信息。
添加虚拟机参数：
打印出了垃圾回收的信息：
1_内存快照文件的获取
需求：
获得运行中的内存快照文件，使用MAT进行分析。
步骤：
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。
2_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，导出的数据可以使用VisualVM分析。
步骤：
1、编译程序时，添加 --enable-monitoring=jfr，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、运行程序，添加 -XX:StartFlightRecording=filename=recording.jfr,duration=10s参数。
3、使用VisualVM分析JFR记录文件。
