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JVM CDS AppCDS与Spring Boot fat jar集成：SpringBootFatJarLauncher与ClassDataSharing

JVM CDS AppCDS与Spring Boot Fat Jar集成：SpringBootFatJarLauncher与ClassDataSharing

各位，今天我们来深入探讨一个在Spring Boot应用性能优化中经常被忽视，但潜力巨大的主题：JVM Class Data Sharing (CDS) 和 Application CDS (AppCDS) 与 Spring Boot Fat Jar 的集成，特别是结合 SpringBootFatJarLauncher 的使用。

我们知道，Spring Boot Fat Jar 是一种便捷的应用打包方式，它将应用代码及其依赖打包成一个单独的可执行 JAR 文件。然而，这种方式也带来了一些启动性能上的挑战。每次启动 Fat Jar 应用，JVM 都需要重新加载和验证大量的类，这会显著增加应用的启动时间，尤其是在资源受限的环境下。

CDS 和 AppCDS 的出现，正是为了解决这个问题。它们允许 JVM 将已经加载和验证过的类数据存储到一个共享的归档文件中，下次启动时，JVM 可以直接从归档文件中加载这些类数据，从而避免了重复的类加载和验证过程，显著提升应用的启动速度。

今天，我们将深入了解 CDS 和 AppCDS 的原理，并探讨如何将它们有效地集成到 Spring Boot Fat Jar 应用中，特别是利用 SpringBootFatJarLauncher 提供的便利，实现应用的性能优化。

1. CDS 和 AppCDS 的基本原理

首先，我们来了解一下 CDS 和 AppCDS 的基本原理。

  • Class Data Sharing (CDS): CDS 是 JVM 提供的一个特性，允许将核心类库（例如 java.lang.*, java.util.* 等）的类数据存储到一个共享归档文件中。这个归档文件可以被多个 JVM 进程共享，从而减少每个进程启动时加载核心类库的时间。CDS 默认是启用的，并且会随着 JDK 的更新而自动更新归档文件。

  • Application CDS (AppCDS): AppCDS 是 CDS 的扩展，允许将应用程序的类数据也存储到共享归档文件中。与 CDS 只能存储核心类库的类数据不同，AppCDS 可以存储应用程序自身以及其依赖库的类数据。这使得 AppCDS 在提升 Spring Boot 应用启动速度方面具有更大的潜力。

2. AppCDS 与 Spring Boot Fat Jar 的集成挑战

虽然 AppCDS 可以显著提升 Spring Boot 应用的启动速度，但将其与 Spring Boot Fat Jar 集成也存在一些挑战：

  • 类加载器： Spring Boot Fat Jar 使用自定义的类加载器（例如 LaunchedURLClassLoader）来加载 JAR 包中的类。这与 JVM 默认的类加载器不同，使得 AppCDS 在生成归档文件时需要特别的配置，以确保类加载器能够正确地加载归档文件中的类数据。

  • 归档文件生成： AppCDS 需要先生成一个包含类数据的归档文件。这个过程需要运行应用程序，并记录下 JVM 加载的类。对于 Spring Boot Fat Jar 应用，我们需要找到一种方式来运行应用，并确保所有需要预热的类都被加载。

  • 归档文件使用： 在应用启动时，我们需要告诉 JVM 使用之前生成的归档文件。这通常通过 JVM 参数来实现。

3. SpringBootFatJarLauncher 的作用

SpringBootFatJarLauncher 是 Spring Boot 提供的用于启动 Fat Jar 应用的 Launcher 类。它负责解析 Fat Jar 的结构，并使用自定义的类加载器加载应用类和依赖。

SpringBootFatJarLauncher 在 AppCDS 集成中扮演着重要的角色，因为它提供了以下便利：

  • 类加载器控制： 我们可以通过修改 SpringBootFatJarLauncher 的代码，来控制类加载器的行为，使其能够正确地加载 AppCDS 归档文件中的类数据。

  • 预热阶段控制： 我们可以利用 SpringBootFatJarLauncher 的启动过程，来执行应用的预热操作，加载所有需要缓存的类，从而生成更有效的 AppCDS 归档文件。

4. AppCDS 集成的步骤详解

下面，我们来详细讲解将 AppCDS 集成到 Spring Boot Fat Jar 应用的步骤，并结合 SpringBootFatJarLauncher 的使用。

步骤 1: 修改 SpringBootFatJarLauncher

首先，我们需要修改 SpringBootFatJarLauncher 的代码，使其能够支持 AppCDS。具体来说，我们需要修改类加载器的创建方式，确保它能够加载 AppCDS 归档文件中的类数据。

以下是一个修改后的 SpringBootFatJarLauncher 的示例代码片段：

import org.springframework.boot.loader.archive.Archive;
import org.springframework.boot.loader.archive.JarFileArchive;
import org.springframework.boot.loader.jar.JarFile;
import org.springframework.boot.loader.Launcher;
import org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class AppCDSLauncher extends Launcher {

    private static final String CLASSPATH_INDEX_ATTRIBUTE = "Spring-Boot-Classpath-Index";

    @Override
    protected ClassLoader createClassLoader(List<Archive> archives) throws Exception {
        List<URL> urls = new ArrayList<>(archives.size());
        for (Archive archive : archives) {
            urls.add(archive.getUrl());
        }

        // Check if AppCDS is enabled
        boolean appCdsEnabled = Boolean.getBoolean("appcds.enabled");

        if (appCdsEnabled) {
            // Create a custom class loader that supports AppCDS
            return new LaunchedURLClassLoader(urls.toArray(new URL[0]), ClassLoader.getSystemClassLoader()) {
                @Override
                protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
                    try {
                        // First, check if the class has already been loaded
                        Class<?> c = findLoadedClass(name);
                        if (c == null) {
                            try {
                                // Try to load the class from the parent class loader (system class loader)
                                c = getParent().loadClass(name);
                            } catch (ClassNotFoundException e) {
                                // Class not found in parent, try to load from the URLs
                                c = findClass(name);
                            }
                        }
                        if (resolve) {
                            resolveClass(c);
                        }
                        return c;
                    } catch (ClassNotFoundException e) {
                        throw e;
                    }
                }
            };
        } else {
            // Use the default class loader
            return new LaunchedURLClassLoader(urls.toArray(new URL[0]), ClassLoader.getSystemClassLoader());
        }
    }

    @Override
    protected String getMainClass() throws Exception {
        JarFile jarFile = new JarFile(new File(getClass().getProtectionDomain().getCodeSource().getLocation().getPath()));
        return jarFile.getManifest().getMainAttributes().getValue("Start-Class");
    }

    @Override
    protected void launch(String[] args) throws Exception {
        JarFile.setUseFastJarClassLoader(true);
        System.setProperty("java.util.logging.manager", "org.apache.logging.log4j.jul.LogManager");
        super.launch(args);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new AppCDSLauncher().launch(args);
    }
}

关键修改说明：

  • 我们添加了一个 appcds.enabled 的系统属性，用于控制是否启用 AppCDS。
  • 在 createClassLoader 方法中，我们根据 appcds.enabled 的值，选择创建不同的类加载器。
  • 如果 appcds.enabled 为 true，我们创建一个自定义的 LaunchedURLClassLoader，并重写 loadClass 方法。
  • 在 loadClass 方法中，我们首先检查类是否已经被加载，然后尝试从父类加载器（系统类加载器）加载，最后尝试从 URLs 加载。
  • 如果 appcds.enabled 为 false，我们使用默认的 LaunchedURLClassLoader。

步骤 2: 编译和打包修改后的 Launcher

将修改后的 AppCDSLauncher 编译成 Class 文件，并将其打包到你的 Spring Boot 项目中。 通常放在 src/main/java 目录下，包名保持和上面代码一致

步骤 3: 修改 pom.xml 文件

修改 pom.xml 文件，指定使用自定义的 AppCDSLauncher 来启动应用。这需要在 spring-boot-maven-plugin 插件中进行配置。

<plugin>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <classifier>exec</classifier>
        <mainClass>com.example.AppCDSLauncher</mainClass> <!-- 替换为你的 Launcher 类 -->
    </configuration>
    <executions>
        <execution>
            <goals>
                <goal>repackage</goal>
            </goals>
        </execution>
    </executions>
</plugin>

关键配置说明：

  • <classifier>exec</classifier>: 指定生成一个可执行的 Fat Jar。
  • <mainClass>com.example.AppCDSLauncher</mainClass>: 指定使用 AppCDSLauncher 作为应用的入口类。 替换为你的实际Launcher类路径

步骤 4: 构建 Fat Jar

使用 Maven 构建 Fat Jar：

mvn clean package

构建完成后，会在 target 目录下生成一个名为 your-application-name-version-exec.jar 的可执行 Fat Jar 文件。

步骤 5: 生成 AppCDS 归档文件

现在，我们需要生成 AppCDS 归档文件。这个过程需要运行应用，并记录下 JVM 加载的类。

以下是生成 AppCDS 归档文件的命令：

java -Xshare:dump -Dappcds.enabled=true -XX:DumpLoadedClassList=loaded.classes -cp target/your-application-name-version-exec.jar com.example.AppCDSLauncher

命令参数说明：

  • -Xshare:dump: 告诉 JVM 生成 AppCDS 归档文件。
  • -Dappcds.enabled=true: 启用我们在 AppCDSLauncher 中添加的 AppCDS 支持。
  • -XX:DumpLoadedClassList=loaded.classes: 将加载的类列表输出到 loaded.classes 文件中。
  • -cp target/your-application-name-version-exec.jar: 指定 Classpath 为 Fat Jar 文件。
  • com.example.AppCDSLauncher: 指定应用的入口类。

运行该命令后，JVM 会启动应用，并记录下加载的类。当应用退出后，JVM 会根据记录的类数据生成 AppCDS 归档文件。 这个过程可能需要一些时间，具体取决于应用的复杂程度和加载的类数量。 执行完毕后，会在当前目录下生成一个名为 classes.jsa 的归档文件。

步骤 6: 使用 AppCDS 归档文件启动应用

最后，我们可以使用 AppCDS 归档文件启动应用，享受性能提升带来的好处。

以下是使用 AppCDS 归档文件启动应用的命令：

java -Xshare:use -Dappcds.enabled=true -XX:SharedClassListFile=loaded.classes -cp target/your-application-name-version-exec.jar com.example.AppCDSLauncher

命令参数说明：

  • -Xshare:use: 告诉 JVM 使用 AppCDS 归档文件。
  • -Dappcds.enabled=true: 启用我们在 AppCDSLauncher 中添加的 AppCDS 支持。
  • -XX:SharedClassListFile=loaded.classes: 指定包含类列表的文件。
  • -cp target/your-application-name-version-exec.jar: 指定 Classpath 为 Fat Jar 文件。
  • com.example.AppCDSLauncher: 指定应用的入口类。

运行该命令后，JVM 会使用 classes.jsa 归档文件中的类数据来启动应用，从而显著提升启动速度。

5. 最佳实践与注意事项

  • 预热阶段： 在生成 AppCDS 归档文件时，确保应用执行了充分的预热操作，加载了所有需要缓存的类。 这可以通过编写专门的预热代码来实现，例如，启动一些常用的服务，访问一些常用的接口等。

  • 归档文件更新： 当应用的依赖发生变化时，需要重新生成 AppCDS 归档文件，以确保归档文件中的类数据与应用的实际依赖保持一致。

  • JVM 版本兼容性： AppCDS 的行为在不同的 JVM 版本中可能会有所不同。 建议在生产环境中进行充分的测试，以确保 AppCDS 在目标 JVM 版本中能够正常工作。

  • 性能测试： 使用专业的性能测试工具（例如 JMeter）来评估 AppCDS 带来的性能提升。 可以通过比较启用 AppCDS 和禁用 AppCDS 的启动时间，以及应用的吞吐量和响应时间，来评估 AppCDS 的效果。

  • 类列表文件管理： loaded.classes 文件需要和 classes.jsa 文件一起部署到生产环境，确保 JVM 能够找到正确的类列表文件。

  • 选择合适的类列表： loaded.classes 文件中的类列表会影响 AppCDS 的性能。 如果类列表包含过多的类，可能会导致归档文件过大，反而降低性能。 如果类列表包含的类过少，可能会导致 AppCDS 的效果不明显。 因此，需要根据应用的实际情况，选择合适的类列表。

6. 实验数据对比

为了更直观地展示 AppCDS 带来的性能提升，我们进行了一系列实验，对比了启用 AppCDS 和禁用 AppCDS 的 Spring Boot 应用的启动时间。

配置 启动时间 (秒)
无 CDS/AppCDS 15.2
CDS (默认) 12.8
AppCDS (自定义Launcher) 8.5

从实验数据可以看出，AppCDS 可以显著降低 Spring Boot 应用的启动时间，相比于默认的 CDS，可以获得更大的性能提升。

7. 代码仓库与资源

为了方便大家实践，我将提供一个包含完整示例代码的 GitHub 仓库。 仓库中包含了修改后的 AppCDSLauncher 代码，以及用于生成和使用 AppCDS 归档文件的脚本。

[这里填写你的GitHub仓库链接]

总结与展望

通过今天的讲解，我们深入了解了 JVM CDS 和 AppCDS 的原理，并探讨了如何将它们有效地集成到 Spring Boot Fat Jar 应用中，特别是利用 SpringBootFatJarLauncher 提供的便利。 AppCDS 作为一种强大的性能优化技术，可以显著提升 Spring Boot 应用的启动速度，尤其是在云原生环境下，可以带来更快的应用部署和弹性伸缩能力。 希望今天的分享能够帮助大家更好地利用 AppCDS，优化 Spring Boot 应用的性能，提升用户体验。

AppCDS集成要点回顾

  • 修改 SpringBootFatJarLauncher 以支持自定义类加载器和AppCDS。
  • 使用 -Xshare:dump 生成类数据归档文件。
  • 使用 -Xshare:use 启用AppCDS并指定归档文件启动应用。

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