Spring干掉原生JVM？

Spring 團(tuán)隊(duì)日前發(fā)布了 Spring Native Beta 版。通過(guò) Spring Native，Spring 應(yīng)用將有機(jī)會(huì)與 GraalVM 原生鏡像的方式運(yùn)行。為了更好地支持原生運(yùn)行，Spring Native 提供了 Maven 和 Gradle 插件，并且提供了優(yōu)化原生配置的注解。

最近，Spring 發(fā)布了 Spring Native 的 beta 版本，該功能已經(jīng)在 start.spring.io 上可用了。

https://github.com/spring-projects-experimental/spring-native

https://start.spring.io/

這意味著，除了 Spring 誕生以來(lái)就支持的 Java 虛擬機(jī)，官方添加了使用 GraalVM 將 Spring 應(yīng)用編譯成原生鏡像的 beta 支持，這樣的話，就能提供一種新的方式來(lái)部署 Spring 應(yīng)用。Spring Native 支持 Java 和 Kotlin。

這些原生的 Spring 應(yīng)用可以作為一個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行文件進(jìn)行部署（不需要安裝 JVM），并且還能提供有趣的特征，包括幾乎瞬時(shí)的啟動(dòng)（一般會(huì)小于 100 毫秒）、瞬時(shí)的峰值性能以及更低的資源消耗，其代價(jià)是比 JVM 更長(zhǎng)的構(gòu)建時(shí)間和更少的運(yùn)行時(shí)優(yōu)化。

通過(guò)簡(jiǎn)單的 mvn spring-boot:build-image 或 gradle bootBuildImage 命令，就能生成一個(gè)優(yōu)化的容器鏡像，它包含了一個(gè)最小的操作系統(tǒng)層和一個(gè)小的原生可執(zhí)行文件，該文件只包含了必需的東西即 JDK、Spring 以及應(yīng)用中所使用的依賴。

請(qǐng)看下面這個(gè)最小的容器鏡像，它是一個(gè) 50MB 的可執(zhí)行文件，包含了 Spring Boot、Spring MVC、Jackson、Tomcat、JDK 和應(yīng)用本身。

這種原生方式，在很多場(chǎng)景下都會(huì)對(duì) Spring 應(yīng)用產(chǎn)生價(jià)值：

• 使用 Spring Cloud Function 的 Serverless 應(yīng)用
• 更廉價(jià)、更可持續(xù)地托管 Spring 微服務(wù)
• 與 VMware Tanzu 這樣的 Kubernetes 平臺(tái)有很好的契合性
• 想要最優(yōu)的容器鏡像，以打包 Spring 應(yīng)用和服務(wù)

在使用場(chǎng)景上，比如 Piotr Mińkowski 提供了一個(gè)非常棒的指南，介紹了如何在 Knative 上使用 Spring Boot 和 GraalVM 構(gòu)建原生微服務(wù)。

https://piotrminkowski.com/2021/03/05/microservices-on-knative-with-spring-boot-and-graalvm/

1. 團(tuán)隊(duì)協(xié)作

Spring Native beta 是整個(gè) Spring 團(tuán)隊(duì)及其家族項(xiàng)目廣泛合作的結(jié)果：Spring Framework、Spring Boot 還包括 Spring Data、Spring Security、Spring Cloud 和 Spring Initializr。

據(jù)悉，原生功能的工作范圍比 Spring 更廣，因?yàn)樵婕暗礁鼜V泛的 JVM 生態(tài)系統(tǒng)，所以官方一直在與 GraalVM 團(tuán)隊(duì)合作，以改善原生鏡像的兼容性和資源消耗。

以下是來(lái)自 GraalVM 團(tuán)隊(duì)的 Vojin Jovanovic 的一段話。

“與 Spring 團(tuán)隊(duì)協(xié)作打造原生 JVM 生態(tài)系統(tǒng)是一件非常愉快的事情：他們深厚的技術(shù)知識(shí)，再加上對(duì)社區(qū)的敏感觸覺(jué)，總是能帶來(lái)最好的解決方案。最新的 Spring Native 版本，以及它在 JVM 生態(tài)系統(tǒng)中的眾多用法，為原生編譯的廣泛采用鋪平了道路。”

基于 Spring Boot + MyBatis Plus + Vue & Element 實(shí)現(xiàn)的后臺(tái)管理系統(tǒng) + 用戶小程序，支持 RBAC 動(dòng)態(tài)權(quán)限、多租戶、數(shù)據(jù)權(quán)限、工作流、三方登錄、支付、短信、商城等功能

• 項(xiàng)目地址：https://github.com/YunaiV/ruoyi-vue-pro
• 視頻教程：https://doc.iocoder.cn/video/

2. 支持的范圍

現(xiàn)在，Spring Native已經(jīng)從alpha過(guò)渡到beta，那么很重要的一點(diǎn)就是明確他弄所支持的功能范圍。

Alpha是第一步，我們進(jìn)行了大量試驗(yàn)并完善了Spring Native（以前稱為Spring GraalVM Native）的體系結(jié)構(gòu)，兼容性和對(duì)一系列樣本進(jìn)行了重大更改的封裝。我們還報(bào)告了GraalVM團(tuán)隊(duì)修復(fù)的許多問(wèn)題，目的是縮小JVM與Spring應(yīng)用程序的本機(jī)之間的差距。

雖然它仍被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)性的，但 beta 版意味著 Spring 現(xiàn)在在 Spring 生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)子集上提供了對(duì)原生的支持。如果你的應(yīng)用正在使用業(yè)已支持的依賴，那么你可以試用它，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以提 bug 或貢獻(xiàn) pull request。在最新的 Spring Boot 2.x 小版本的每個(gè)補(bǔ)丁發(fā)布時(shí)，都會(huì)有一個(gè)新的 Spring Native 版本。Spring Native 0.9.0 支持 Spring Boot 2.4.3，Spring Native 0.9.1 將支持 Spring Boot 2.4.4 等。

基于 Spring Cloud Alibaba + Gateway + Nacos + RocketMQ + Vue & Element 實(shí)現(xiàn)的后臺(tái)管理系統(tǒng) + 用戶小程序，支持 RBAC 動(dòng)態(tài)權(quán)限、多租戶、數(shù)據(jù)權(quán)限、工作流、三方登錄、支付、短信、商城等功能

• 項(xiàng)目地址：https://github.com/YunaiV/yudao-cloud
• 視頻教程：https://doc.iocoder.cn/video/

3. start.spring.io

Stéphane Nicoll 在對(duì) http://start.spring.io 和相關(guān) IDE 的集成中，引入了對(duì) Spring Native 的支持，所以現(xiàn)在這是探索如何使用 Spring 構(gòu)建原生應(yīng)用最簡(jiǎn)單的方式。

添加 Spring Native 依賴后將會(huì)使用所需的依賴和插件自動(dòng)配置 Maven 或 Gradle 項(xiàng)目，以便于支持原生。應(yīng)用代碼本身沒(méi)有變化。

請(qǐng)檢查自動(dòng)生成的 HELP.md 文件，該文件包含了有用的鏈接和文檔，同時(shí)它還能標(biāo)記出來(lái)你是否選擇了一些在原生環(huán)境下不支持的依賴。

4. 預(yù)先轉(zhuǎn)換

原生與JVM有說(shuō)不同：類路徑在構(gòu)建時(shí)是固定的，反射或資源需要進(jìn)行配置，這里沒(méi)有類的懶加載（可執(zhí)行文件中包含的所有內(nèi)容在啟動(dòng)的時(shí)候都會(huì)加載進(jìn)來(lái)）并且有些代碼可以在構(gòu)建期調(diào)用。

為了充分擁抱這些特性，并且能讓 Spring 應(yīng)用以最大的兼容性和最小的資源消耗運(yùn)行在原生環(huán)境中，Brian Clozel 在這個(gè)版本中引入了 Spring 預(yù)先（ahead-of-time，AOT）轉(zhuǎn)換的 Maven 和 Gradle 插件，這個(gè)插件會(huì)對(duì) Spring 應(yīng)用執(zhí)行預(yù)先轉(zhuǎn)換。

第一種轉(zhuǎn)換的目的是生成 GraalVM 原生配置（反射、資源、代理、原生鏡像選項(xiàng)），這是通過(guò)由 Andy Clement 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的一個(gè)特別棒的推斷引擎做到的，該引擎能夠理解 Spring 編程模型和基礎(chǔ)設(shè)施。例如，每個(gè)帶有 @Controller 注解的類，都會(huì)在生成的 reflect-config.json 文件中添加一個(gè)條目。

有些原生配置是無(wú)法推斷的，對(duì)于這些情況，Spring Native 引入了原生線索（native hint）注解（參見(jiàn) Javadoc 以了解詳情），這些注解允許 Spring Native 支持原生配置，這種方式比常規(guī)的基于 JSON 的原生鏡像配置更加可維護(hù)、類型安全和靈活。例如，Spring Native 對(duì) MySQL 驅(qū)動(dòng)支持就提供了線索注解，它們會(huì)在原生鏡像配置 reflect-config.json、resource-config.json 和 native-image.properties 中生成正確的條目，如下所示：

@NativeHint(
trigger=Driver.class,
options="--enable-all-security-services",
types=@TypeHint(types={
FailoverConnectionUrl.class,
FailoverDnsSrvConnectionUrl.class,
//...
}),resources={
@ResourceHint(patterns="com/mysql/cj/TlsSettings.properties"),
@ResourceHint(patterns="com.mysql.cj.LocalizedErrorMessages",
isBundle=true)
})
publicclassMySqlHintsimplementsNativeConfiguration{}

NativeConfiguration和其他動(dòng)態(tài)配置機(jī)制允許實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大和動(dòng)態(tài)化的配置生成，但是需要注意它們的 API 在未來(lái)的版本中可能會(huì)有很大變化。

Spring開(kāi)發(fā)人員也可以直接在 @Configuration 或 @SpringBootApplication 類上添加應(yīng)用特定的原生線索注解，例如，對(duì)于使用 RestTemplate 或 WebClient 這樣的編程 API 序列化一個(gè) Book 類為 JSON：

@TypeHint(types=Book.class)
@SpringBootApplication
publicclassWebClientApplication{
//...
}

在使用預(yù)先轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)，最后一個(gè)，可能也是最強(qiáng)大的一個(gè)機(jī)制就是根據(jù) Spring Boot 部署模型和 GraalVM 原生鏡像特征所引入的封閉世界（closed-world）假設(shè)，它能夠自動(dòng)生成針對(duì)原生環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的代碼。這里的目標(biāo)就是限制所需的外部原生配置的數(shù)量，從而提高兼容性，這是通過(guò)原生鏡像編譯器對(duì)代碼結(jié)構(gòu)的分析實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還能通過(guò)減少反射、資源或代理所需的配置，降低資源占用。一個(gè)具體的例子就是對(duì)各種 spring.factory（Spring Boot 背后的擴(kuò)展機(jī)制）的預(yù)先轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)化過(guò)的程序版本，該版本不需要反射并且會(huì)過(guò)濾掉應(yīng)用上下文中不必要的條目。

對(duì) Spring AOT來(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)開(kāi)始，我們計(jì)劃添加更加強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換，比如將 @Configuration 替換為函數(shù)式配置，從而通過(guò)預(yù)先分析替換運(yùn)行時(shí)反射，能夠自動(dòng)生成使用像 lambda 表達(dá)式和方法引用這種程序構(gòu)造的配置類。這樣的話，就能允許 GraalVM 原生鏡像編譯器立即理解 Spring 配置，無(wú)需任何的反射配置或 *.class 資源。

需要記住的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，在使用 Spring Native 時(shí)，這個(gè) AOT 生成的代碼在 JVM 上也會(huì)默認(rèn)使用，這樣的話能夠通過(guò) JVM 允許的短反饋循環(huán)（short feedback loop），用調(diào)試器和所有常規(guī)工具實(shí)現(xiàn)“原生友好的代碼路徑”。

盡管Spring AOT轉(zhuǎn)換目前主要是由原生場(chǎng)景需求驅(qū)動(dòng)，但是有很多轉(zhuǎn)換并不是特定于原生場(chǎng)景的，有一些可能為 JVM 上運(yùn)行的 Spring Boot 應(yīng)用提供優(yōu)化。和往常一樣，對(duì)于這種主題，重要的是要以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，所以我們會(huì)衡量效率和性能來(lái)驅(qū)動(dòng)我們的決策。

我們很可能會(huì)完善 IDE 集成，目前請(qǐng)務(wù)必閱讀相關(guān)文檔，了解潛在的手動(dòng)配置步驟，以便在 IDE 中運(yùn)行應(yīng)用程序之前更新生成的源碼。

5. 結(jié)論

在支持原生方面，Spring 有兩個(gè)支柱性的策略。第一個(gè)是在不需要對(duì)現(xiàn)有的數(shù)百萬(wàn)個(gè) Spring Boot 應(yīng)用進(jìn)行重大改動(dòng)的情況下，對(duì) Spring 基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)原生。這包括在 Spring 頂層項(xiàng)目中為實(shí)現(xiàn)原生友好而做出的改變，像 @NativeHint 這樣的基礎(chǔ)架構(gòu)，以及在 Spring Native 中逐漸成熟的 Spring AOT 構(gòu)建插件。

第二個(gè)支柱比Spring本身的范圍更廣，原生是一個(gè)與 JVM 特性有所差異的平臺(tái)，但 Java 生態(tài)系統(tǒng)需要盡可能地保持一致，以避免出現(xiàn)兩種截然不同的 Java 風(fēng)格，如果這樣的話，將會(huì)是維護(hù)上的一個(gè)挑戰(zhàn)。