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进击的Java，云原生时代的蜕变-创新互联

进击的 Java ，云原生时代的蜕变作者| 易立 阿里云资深技术专家

坚守“ 做人真诚 · 做事靠谱 · 口碑至上 · 高效敬业 ”的价值观，专业网站建设服务10余年为成都成都混凝土搅拌罐车小微创业公司专业提供成都定制网页设计营销网站建设商城网站建设手机网站建设小程序网站建设网站改版，从内容策划、视觉设计、底层架构、网页布局、功能开发迭代于一体的高端网站建设服务。

导读：云原生时代的来临，与Java 开发者到底有什么联系？有人说，云原生压根不是为了 Java 存在的。然而，本文的作者却认为云原生时代，Java 依然可以胜任“巨人”的角色。作者希望通过一系列实验，开拓同学视野，提供有益思考。

在企业软件领域，Java 依然是绝对王者，但它让开发者既爱又恨。一方面因为其丰富的生态和完善的工具支持，可以极大提升了应用开发效率；但在运行时效率方面，Java 也背负着”内存吞噬者“，“CPU 撕裂者“的恶名，持续受到 NodeJS、Python、Golang 等新老语言的挑战。

在技术社区，我们经常看到有人在唱衰 Java 技术，认为其不再符合云原生计算发展的趋势。我们先抛开这些观点，首先思考一下云原生对应用运行时的不同需求。

  • 体积更小 - 对于微服务分布式架构而言，更小的体积意味着更少的下载带宽，更快的分发下载速度。
  • 启动速度更快- 对于传统单体应用，启动速度与运行效率相比不是一个关键的指标。原因是，这些应用重启和发布频率相对较低。然而对于需要快速迭代、水平扩展的微服务应用而言，更快的的启动速度就意味着更高的交付效率，和更加快速的回滚。尤其当你需要发布一个有数百个副本的应用时，缓慢的启动速度就是时间杀手。对于Serverless 应用而言，端到端的冷启动速度则更为关键，即使底层容器技术可以实现百毫秒资源就绪，如果应用无法在500ms内完成启动，用户就会感知到访问延迟。
  • 占用资源更少 - 运行时更低的资源占用，意味着更高的部署密度和更低的计算成本。同时，在JVM启动时需要消耗大量CPU资源对字节码进行编译，降低启动时资源消耗，可以减少资源争抢，更好保障其他应用SLA。
  • 支持水平扩展 - JVM的内存管理方式导致其对大内存管理的相对低效，一般应用无法通过配置更大的heap size实现性能提升，很少有Java应用能够有效使用16G内存或者更高。另一方面，随着内存成本的下降和虚拟化的流行，大内存配比已经成为趋势。所以我们一般是采用水平扩展的方式，同时部署多个应用副本，在一个计算节点中可能运行一个应用的多个副本来提升资源利用率。

热身准备

熟悉Spring框架的开发者大多对 Spring Petclinic 不会陌生。本文将借助这个著名示例应用来演示如何让我们的Java应用变得更小，更快，更轻，更强大！
进击的 Java ，云原生时代的蜕变我们fork了IBM的Michael Thompson的示例，并做了一些调整。

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

首先，我们会为PetClinic应用构建一个Docker镜像。在Dockerfile中，我们利用OpenJDK作为基础镜像，安装Maven，下载、编译、打包Spring PetClinic应用，最后设置镜像的启动参数完成镜像构建。

$ 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"]

构建镜像并执行

$ 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)

可以通过 http://localhost:8080/ 访问应用界面。
检查一下构建出的Docker镜像， ”petclinic-openjdk-openj9“ 的大小为871MB，而基础镜像 ”adoptopenjdk/openjdk8“ 仅有 300MB！这货也太膨胀了!

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

原因是：为了构建Spring应用，我们在镜像中引入了一系列编译时依赖，如 Git，Maven等，并产生了大量临时的文件。然而这些内容在运行时是不需要的。
在著名的软件12要素 第五条明确指出了，”Strictly separate build and run stages.“ 严格分离构建和运行阶段，不但可以帮助我们提升应用的可追溯性，保障应用交付的一致性，同时也可以减少应用分发的体积，减少安全风险。

镜像瘦身

Docker提供了Multi-stage Build（多阶段构建），可以实现镜像瘦身。
进击的 Java ，云原生时代的蜕变我们将镜像构建分成两个阶段：

  • 在 ”build“ 阶段依然采用JDK作为基础镜像，并利用Maven进行应用构建；
  • 在最终发布的镜像中，我们会采用JRE版本作为基础镜像，并从”build“ 镜像中直接拷贝出生成的jar文件。这意味着在最终发布的镜像中，只包含运行时所需必要内容，不包含任何编译时依赖，大大减少了镜像体积。
    $ 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"]

    查看一下新镜像大小，从 871MB 减少到 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

    镜像瘦身之后将大大加速应用分发速度，我们是否有办法优化应用的启动速度呢？

从 JIT 到 AOT - 启动提速

为了解决Java启动的性能瓶颈，我们首先需要理解JVM的实现原理。为了实现“一次编写，随处运行”的能力，Java程序会被编译成实现架构无关的字节码。JVM在运行时将字节码转换成本地机器码执行。这个转换过程决定了Java应用的启动和运行速度。为了提升执行效率，JVM引入了JIT compiler（Just in Time Compiler，即时编译器），其中Sun/Oracle公司的HotSpot是最著名JIT编译器实现。它提供了自适应优化器，可以动态分析、发现代码执行过程中的关键路径，并进行编译优化。HotSpot的出现极大提升了Java应用的执行效率，在Java 1.4以后成为了缺省的VM实现。但是HotSpot VM在启动时才对字节码进行编译，一方面导致启动时执行效率不高，一方面编译和优化需要很多的CPU资源，拖慢了启动速度。我们是否可以优化这个过程，提升启动速度呢？
熟悉Java江湖历史的同学应该会知道IBM J9 VM，它是用于IBM企业级软件产品的一款高性能的JVM，帮助IBM奠定了商业应用平台中间件的霸主地位。2017年9月，IBM 将 J9 捐献给 Eclipse 基金会，并更名 Eclipse OpenJ9，开启开源之旅。
OpenJ9 提供了Shared Class Cache (SCC 共享类缓存) 和 Ahead-of-Time (AOT 提前编译) 技术，显著减少了Java应用启动时间。
SCC 是一个内存映射文件，包含了J9 VM对字节码的执行分析信息和已经编译生成的本地代码。开启 AOT 编译后，会将JVM编译结果保存在 SCC 中，在后续 JVM 启动中可以直接重用。与启动时进行的 JIT 编译相比，从 SCC 加载预编译的实现要快得多，而且消耗的资源要更少。启动时间可以得到明显改善。
我们开始构建一个包含AOT优化的Docker应用镜像

$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 参数 -Xshareclasses 开启SCC，-Xquickstart 开启AOT。
在Dockerfile中，我们运用了一个技巧来预热SCC。在构建过程中启动JVM加载应用，并开启SCC和AOT，在应用启动后停止JVM。这样就在Docker镜像中包含了生成的SCC文件。
然后，我们来构建Docker镜像并启动测试应用，

$ 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，启动时间已经从之前的 8.2s 减少到 4s，提升近50%。
在这个方案中，我们一方面将耗时耗能的编译优化过程转移到构建时完成，一方面采用以空间换时间的方法，将预编译的SCC缓存保存到Docker镜像中。在容器启动时，JVM可以直接使用内存映射文件来加载SCC，优化了启动速度和资源占用。
这个方法另外一个优势是：由于Docker镜像采用分层存储，同一个宿主机上的多个Docker应用实例会共享同一份SCC内存映射，可以大大减少在单机高密度部署时的内存消耗。
下面我们做一下资源消耗的比较，我们首先利用基于HotSpot VM的镜像，同时启动4个Docker应用实例，30s后利用docker stats查看资源消耗

$ ./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的镜像，同时启动4个Docker应用实例，并查看资源消耗

$ ./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
...

与HotSpot VM相比，OpenJ9的场景下应用内存占用从平均 600MB 下降到 120MB。惊喜不惊喜？
通常而言，HotSpot JIT比AOT可以进行更加全面和深入的执行路径优化，从而有更高的运行效率。为了解决这个矛盾，OpenJ9 的AOT SCC只在启动阶段生效，在后续运行中会继续利用JIT进行分支预测、代码内联等深度编译优化。
更多关于 OpenJ9 SCC和AOT的技术介绍，请参考

  • https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-class-sharing-openj9/index.html
  • https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-optimize-jvm-startup-with-eclipse-openjj9/index.html
  • HotSpot在Class Data Sharing (CDS)和AOT方面也有了很大进展，但是IBM J9在这方面更加成熟。期待阿里的Dragonwell也提供相应的优化支持。

思考：与C/C++，Golang, Rust等静态编译语言不同，Java采用VM方式运行，提升了应用可移植性的同时牺牲了部分性能。我们是否可以将AOT做到极致？完全移除字节码到本地代码的编译过程？

原生代码编译

为了将Java应用编译成本地可执行代码，我们首先要解决JVM和应用框架在运行时的动态性挑战。JVM提供了灵活的类加载机制，Spring的依赖注入(DI，Dependency-injection)可以实现运行时动态类加载和绑定。在Spring框架中，反射，Annotation 运行时处理器等技术也被广泛应用。这些动态性一方面提升了应用架构的灵活性和易用性，另一方面也降低了应用的启动速度，使得AOT原生编译和优化变得非常复杂。
为了解决这些挑战，社区有很多有趣的探索，Micronaut 是其中一个优秀代表。与Spring框架序不同，Micronaut提供了编译时的依赖注入和AOP处理能力，并最小化反射和动态代理的使用。Micronaut 应用有着更快的启动速度和更低的内存占用。更加让我们更感兴趣的是Micronaut支持与Graal VM配合，可以将Java应用编译成为本地执行代码全速运行。注：GraalVM是Oracle推出的一种新型通用虚拟机，支持多种语言，可以将Java应用程序编译为本地原生应用。进击的 Java ，云原生时代的蜕变原图
下面开始我们的探险，我们利用Mitz提供的Micronaut版本PetClinic示例工程并做了一点点调整。（使用Graal VM 19.2）

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

其中Docker镜像的内容如下

$ 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" 阶段，利用Maven构建 Micronaut 版本的 PetClinic 应用，
  • 在 "graalvm" 阶段，我们通过 native-image 将PetClinic jar文件转化成可执行文件。
  • 在最终阶段，将本地可执行文件加入一个Alpine Linux基础镜像

构建应用

$ docker-compose build

启动测试数据库

$ docker-compose up db

启动测试应用

$ 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

应用启动速度如闪电般提升至 159ms，仅有HotSpot VM的1/50！
Micronaut和Graal VM还在快速发展中，迁移一个Spring应用还有不少工作需要考虑。此外Graal VM的调试、监控等工具链还不够完善。但是这已经让我们看到了曙光，Java应用和Serverless的世界不再遥远。由于篇幅有限，对Graal VM和Micronaut有兴趣的同学可以参考

  • https://docs.micronaut.io/latest/guide/index.html#graal
  • https://www.exoscale.com/syslog/how-to-integrate-spring-with-micronaut/

总结与后记

作为进击的巨人，Java技术在云原生时代也在不停地进化。在JDK 8u191和JDK 10之后，JVM增强了在Docker容器中对资源的感知。同时社区也在多个不同方向探索Java技术栈的边界。JVM OpenJ9作为传统VM的一员，在对现有Java应用保持高度兼容的同时，对启动速度和内存占用做了细致的优化，比较适于与现有Spring等微服务架构配合使用。而Micronaut/Graal VM则另辟蹊径，通过改变编程模型和编译过程，将应用的动态性尽可能提前到编译时期处理，极大优化了应用启动时间，在Serverless领域前景可期。这些设计思路都值得我们借鉴。
在云原生时代，我们要能够在横向的应用开发生命周期中，将开发、交付、运维过程进行有效的分割和重组，提升研发协同效率；并且要能在整个纵向软件技术栈中，在编程模型、应用运行时和基础设施等多层面进行系统优化，实现radical simplification，提升系统效率。
本文完成于在参加阿里集团20周年的火车旅途上，9/10阿里年会是非常难忘的经历。感谢马老师，感谢阿里，感谢这个时代，感谢所有帮助和支持我们的小伙伴，感谢所有追梦的技术人，我们一起开拓云原生的未来。

“阿里巴巴云原生微信公众号（ID：Alicloudnative）关注微服务、Serverless、容器、Service Mesh等技术领域、聚焦云原生流行技术趋势、云原生大规模的落地实践，做最懂云原生开发者的技术公众号。”

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网页标题：进击的Java，云原生时代的蜕变-创新互联
文章链接：http://kswsj.cn/article/dgisgo.html

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