JAVA Spring Boot JAR 启动慢？Layered JAR 与 classpath 优化方法

好的，我们开始吧。

Spring Boot JAR 启动慢？Layered JAR 与 classpath 优化方法

大家好，今天我们来聊聊Spring Boot应用启动慢的问题，以及如何利用Layered JAR和classpath优化来解决这个问题。这是一个在实际项目中经常遇到的挑战，尤其是在微服务架构下，启动时间直接影响服务的可用性和响应速度。

问题分析：Spring Boot JAR 启动慢的原因

Spring Boot JAR包启动慢，主要原因可以归结为以下几个方面：

1. Classpath扫描： Spring Boot启动时需要扫描classpath下的所有JAR包，查找组件（@Component, @Service, @Controller, @Repository等）、配置类（@Configuration）以及其他的Bean定义。这个过程涉及到大量的IO操作和类加载，特别是当你的JAR包依赖很多第三方库时，扫描时间会显著增加。

2. 自动配置： Spring Boot的自动配置机制虽然很方便，但也会带来性能损耗。它需要根据classpath下的依赖和环境属性，尝试加载并配置大量的Bean。如果自动配置的逻辑复杂，或者需要连接外部服务，启动时间就会更长。

3. JAR包解压： 传统的Spring Boot JAR包是将所有依赖都打包在一个大的JAR文件中。启动时，JVM需要解压整个JAR包，这也会耗费一定的时间。

4. 初始化Bean： Spring容器需要实例化和初始化所有的Bean，包括创建对象、注入依赖、执行初始化方法等。如果Bean的构造函数或者初始化逻辑比较复杂，启动时间就会增加。

5. 数据库连接： 如果你的应用需要连接数据库，那么建立数据库连接池、验证连接等操作也会占用启动时间。

6. 其他资源加载： 除了Bean之外，Spring Boot还需要加载其他的资源，例如配置文件、静态资源、模板文件等。

解决方案一：Layered JAR

Layered JAR是Spring Boot 2.3引入的一种优化JAR包结构的方法。它的核心思想是将JAR包分成多个层，每一层包含不同类型的资源。这样，在发布应用时，可以只更新修改过的层，而不需要重新发布整个JAR包。

Layered JAR的优点：

• 增量更新： 只更新修改过的层，减少了发布的时间和带宽消耗。
• 更快的启动速度： 在一些情况下，可以提高启动速度，尤其是在频繁更新代码的情况下。

Layered JAR的结构：

默认情况下，Layered JAR包含以下几层：

• dependencies: 包含第三方依赖的JAR包。
• spring-boot-loader: 包含Spring Boot Loader的类。
• snapshot-dependencies: 包含SNAPSHOT版本的依赖。
• application: 包含你的应用代码。

如何生成Layered JAR：

在pom.xml文件中，添加Spring Boot Maven Plugin的配置：

<plugin>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <layers>
            <enabled>true</enabled>
        </layers>
    </configuration>
</plugin>

运行mvn package命令，就可以生成Layered JAR。

Layered JAR的启动方式：

Layered JAR的启动方式与普通的JAR包相同：

java -jar your-application.jar

自定义Layered JAR结构：

你可以通过layers.xml文件来自定义Layered JAR的结构。例如，你可以将静态资源放在单独的层中，或者将一些常用的Bean放在更靠前的层中。

layers.xml文件示例：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<layers xmlns="http://www.springframework.org/schema/boot/layers">
    <application>
        <into layer="static-resources">
            <include>static/**</include>
            <include>templates/**</include>
        </into>
        <into layer="application"/>
    </application>
    <dependencies>
        <into layer="dependencies"/>
        <into layer="snapshot-dependencies" when="dependency.version.contains('-SNAPSHOT')"/>
    </dependencies>
</layers>

将layers.xml文件放在src/main/resources目录下。

Layered JAR的注意事项：

• Layered JAR主要用于优化增量更新，对于第一次启动的性能提升可能不明显。
• 自定义Layered JAR结构需要仔细考虑，错误的配置可能会导致启动失败或者功能异常。

解决方案二：Classpath 优化

Classpath扫描是Spring Boot启动过程中最耗时的操作之一。通过优化classpath，可以显著提高启动速度。

Classpath优化的方法：

1. 排除不需要的JAR包： 检查你的pom.xml文件，移除项目中不需要的依赖。

2. 使用spring.main.lazy-initialization属性： 将spring.main.lazy-initialization属性设置为true，可以延迟加载Bean，直到它们被实际使用。这可以减少启动时需要初始化的Bean的数量，从而提高启动速度。

   在application.properties或application.yml文件中配置：

   spring.main.lazy-initialization=true

3. 使用spring.autoconfigure.exclude属性： 排除不需要的自动配置类。Spring Boot的自动配置机制会尝试加载并配置大量的Bean，但并不是所有的自动配置类都是必需的。通过spring.autoconfigure.exclude属性，可以排除不需要的自动配置类，从而减少启动时间。

   在application.properties或application.yml文件中配置：

   spring.autoconfigure.exclude=org.springframework.boot.autoconfigure.jdbc.DataSourceAutoConfiguration,org.springframework.boot.autoconfigure.orm.jpa.HibernateJpaAutoConfiguration

   注意： 排除自动配置类需要谨慎，确保排除的自动配置类不会影响应用的功能。

4. 使用@Conditional注解： 使用@Conditional注解可以根据条件来决定是否加载Bean。例如，你可以根据环境属性或者classpath下的依赖来决定是否加载某个Bean。

   @Configuration
   @ConditionalOnProperty(name = "feature.enabled", havingValue = "true")
   public class MyConfiguration {
   
       @Bean
       public MyBean myBean() {
           return new MyBean();
       }
   }

   在这个例子中，只有当feature.enabled属性为true时，才会加载MyConfiguration类和MyBean Bean。

5. 使用@Import注解： 使用@Import注解可以显式地导入配置类，而不是通过classpath扫描来查找配置类。这可以减少classpath扫描的范围，从而提高启动速度。

   @Configuration
   @Import({MyConfiguration1.class, MyConfiguration2.class})
   public class AppConfig {
   
   }

6. 使用 Index: Spring Boot 提供了 spring-boot-starter-parent 工程，它会自动配置 spring-boot-maven-plugin 插件，生成 META-INF/spring-configuration-metadata.json 文件，该文件包含了所有的配置元数据。Spring Boot 会使用该文件来加速启动过程。如果你自定义了配置类，并且希望 Spring Boot 能够快速找到它们，可以通过添加 @ConfigurationPropertiesScan 注解来启用配置属性扫描。

   @SpringBootApplication
   @ConfigurationPropertiesScan
   public class MyApplication {
       public static void main(String[] args) {
           SpringApplication.run(MyApplication.class, args);
       }
   }

   同时，确保你的 IDE 启用了 Annotation Processing，以便生成 META-INF/spring-configuration-metadata.json 文件。

7. 避免深层继承和复杂的依赖关系： 过深的继承层级和复杂的依赖关系会导致类加载和初始化的时间增加。尽量简化类的继承关系，减少类之间的依赖，可以提高启动速度。

解决方案三：优化Bean的初始化

Bean的初始化是Spring Boot启动过程中的另一个耗时操作。通过优化Bean的初始化，可以提高启动速度。

优化Bean的初始化方法：

1. 使用@Lazy注解： 将@Lazy注解添加到Bean上，可以延迟初始化Bean，直到它们被实际使用。这可以减少启动时需要初始化的Bean的数量，从而提高启动速度。

   @Component
   @Lazy
   public class MyBean {
   
   }

2. 使用@Async注解： 将@Async注解添加到初始化方法上，可以异步执行初始化方法。这可以避免阻塞主线程，从而提高启动速度。

   @Component
   public class MyBean {
   
       @PostConstruct
       @Async
       public void init() {
           // 异步执行初始化逻辑
       }
   }

   注意： 使用@Async注解需要配置TaskExecutor。

3. 减少Bean的依赖： 减少Bean的依赖可以减少Bean的初始化时间。尽量将Bean的依赖放在构造函数中，而不是通过@Autowired注解注入。

4. 避免在Bean的构造函数中执行耗时操作： Bean的构造函数应该只负责创建对象，避免在构造函数中执行耗时操作，例如连接数据库、读取文件等。可以将这些操作放在初始化方法中，或者使用@Async注解异步执行。

5. 使用 GraalVM Native Image (实验性): GraalVM Native Image 是一种将 Java 应用程序编译成本地可执行文件 (native executable) 的技术。使用 Native Image 可以显著提高应用程序的启动速度和降低内存占用。但是，Native Image 的构建过程比较复杂，并且需要对应用程序进行一些修改才能兼容。 目前来说还处于实验阶段。

   构建 Native Image 的步骤：

   1. 添加 Native Build Tools 插件： 在 pom.xml 文件中添加 native-maven-plugin 插件。

   2. 配置 Native Image 构建： 配置 native-maven-plugin 插件，指定应用程序的主类和输出文件名。

   3. 运行 Native Image 构建： 运行 mvn package -Pnative 命令来构建 Native Image。

代码示例

import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;

@Component
public class ExampleBean {

    private DependencyBean dependencyBean;

    // 构造器注入, 避免Field注入带来的问题, 方便测试
    @Autowired
    public ExampleBean(DependencyBean dependencyBean) {
        this.dependencyBean = dependencyBean;
        System.out.println("ExampleBean constructed.");
    }

    public void doSomething() {
        System.out.println("ExampleBean doing something with: " + dependencyBean.getName());
    }
}

@Component
class DependencyBean {
    private String name = "Dependency";

    public DependencyBean() {
        System.out.println("DependencyBean constructed.");
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

解决方案四：数据库连接优化

如果你的应用需要连接数据库，那么建立数据库连接池、验证连接等操作也会占用启动时间。

数据库连接优化的方法：

1. 使用连接池： 使用连接池可以避免频繁地创建和销毁数据库连接，从而提高启动速度。Spring Boot默认使用HikariCP连接池。

2. 优化连接池配置： 优化连接池的配置，例如调整最大连接数、最小空闲连接数、连接超时时间等。

3. 延迟初始化数据源： 使用@Lazy注解延迟初始化数据源。

4. 避免在启动时执行大量的数据库操作： 避免在启动时执行大量的数据库操作，例如创建表、导入数据等。可以将这些操作放在初始化脚本中，或者使用数据库迁移工具。

5. 使用连接池预热: 有些连接池允许预热，即在应用程序启动时就建立一些数据库连接，而不是等到需要时才建立。这样可以减少应用程序在第一次访问数据库时的延迟。 针对HikariCP可以使用initializationFailTimeout 配置。

解决方案五： 其他优化

1. JVM 参数调优: 根据应用程序的实际情况调整 JVM 参数，例如堆大小、GC 策略等。合适的 JVM 参数可以提高应用程序的性能和启动速度。常用的参数包括：

   • -Xms: 设置 JVM 初始堆大小。
   • -Xmx: 设置 JVM 最大堆大小。
   • -XX:+UseG1GC: 启用 G1 垃圾回收器。
   • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError: 在发生 OutOfMemoryError 时生成堆转储文件。

2. 日志级别调整: 生产环境中，建议将日志级别设置为 INFO 或 WARN，避免过多的日志输出影响性能。

3. 使用更快的硬件: 使用更快的 CPU、更大的内存和更快的存储设备可以提高应用程序的启动速度。

表格对比分析

优化方法	优点	缺点	适用场景
Layered JAR	增量更新，减少发布时间和带宽消耗	第一次启动性能提升不明显，自定义配置需要谨慎	频繁更新代码的场景
排除不需要的JAR包	减少classpath扫描范围，提高启动速度	需要仔细检查依赖关系，避免影响应用功能	依赖较多的项目
延迟初始化Bean	减少启动时需要初始化的Bean的数量，提高启动速度	可能会增加第一次访问Bean的延迟	Bean数量较多的项目
排除不需要的自动配置类	减少启动时间	需要谨慎，确保排除的自动配置类不会影响应用的功能	使用了大量自动配置的项目
条件化Bean加载	只有满足条件时才加载Bean，减少启动时间	需要仔细考虑条件逻辑，避免影响应用的功能	需要根据环境或者依赖来决定是否加载Bean的场景
显式导入配置类	减少classpath扫描范围，提高启动速度	需要手动维护配置类的导入关系	配置类较多的项目
优化Bean的初始化	减少Bean的初始化时间，提高启动速度	需要仔细分析Bean的初始化逻辑，避免引入新的问题	Bean的初始化逻辑比较复杂的项目
数据库连接池优化	避免频繁地创建和销毁数据库连接，提高启动速度	需要调整连接池的配置参数	需要连接数据库的应用
JVM 参数调优	提高应用程序的性能和启动速度	需要根据应用程序的实际情况进行调整	所有 Spring Boot 应用
GraalVM Native Image	显著提高启动速度和降低内存占用	构建过程比较复杂，需要对应用程序进行一些修改才能兼容。 并非所有的库都支持。	对启动速度要求极高的场景，例如Serverless函数

真实项目中的实践

在实际项目中，通常需要结合多种优化方法才能达到最佳效果。例如，可以先使用Layered JAR来优化增量更新，然后通过classpath优化和Bean初始化优化来提高启动速度。同时，还需要根据应用程序的实际情况进行JVM参数调优和数据库连接优化。

代码示例：Lazy Initialization

@Configuration
public class AppConfig {

    @Bean
    @Lazy
    public ExpensiveBean expensiveBean() {
        System.out.println("ExpensiveBean is being initialized...");
        return new ExpensiveBean();
    }

    @Bean
    public AnotherBean anotherBean(ExpensiveBean expensiveBean) {
        System.out.println("AnotherBean is being initialized...");
        expensiveBean.doSomething(); // 只有在调用 expensiveBean 时才会初始化
        return new AnotherBean();
    }
}

class ExpensiveBean {
    public ExpensiveBean() {
        // 模拟耗时的初始化过程
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("ExpensiveBean initialization complete.");
    }

    public void doSomething() {
        System.out.println("ExpensiveBean is doing something...");
    }
}

class AnotherBean {
    public AnotherBean() {
        System.out.println("AnotherBean initialized.");
    }
}

在这个例子中，ExpensiveBean 被标记为 @Lazy。这意味着只有当 anotherBean 调用了 expensiveBean.doSomething() 方法时，ExpensiveBean 才会真正被初始化。如果没有 @Lazy 注解，ExpensiveBean 会在应用程序启动时立即初始化，从而增加启动时间。

启动快，体验好

通过 Layered JAR 和 classpath 优化，我们可以显著提高 Spring Boot 应用的启动速度，从而提升用户体验和系统效率。 根据实际情况选择合适的优化策略，并结合多种方法，才能达到最佳效果。