Java `GraalVM` `Substrate VM` `Native Image` 编译原理与 AOT 优势 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Hello 各位，今天咱们聊聊GraalVM Native Image，让你的Java飞起来！

大家好，我是老码农，今天咱们要聊点儿硬核的，关于Java的编译优化，特别是GraalVM Native Image。这东西能把你的Java程序变成火箭，嗖的一声就飞起来了，绝对让你眼前一亮！

咱们先从Java的运行原理说起，然后一步一步深入到GraalVM Native Image的世界。

Java 的运行原理：从源码到执行

Java程序运行，大致要经过以下几个步骤：

编写Java代码： 也就是我们写的.java文件。
编译成字节码： 使用javac编译器，将.java文件编译成.class文件，里面是JVM可以理解的字节码。
JVM加载和执行： JVM（Java Virtual Machine）负责加载.class文件，解释或编译（JIT）字节码，然后在操作系统上运行。

简单来说，就像是：你（程序员）写了一份菜谱（.java文件），厨师（javac编译器）把菜谱翻译成烹饪指令（.class文件），然后真正的厨师（JVM）按照指令做菜（执行程序）。

这个过程中，JVM扮演了非常重要的角色，它是一个虚拟机，负责解释或编译字节码，并管理内存、垃圾回收等。

JVM 的解释执行和 JIT 编译

JVM执行字节码有两种方式：

解释执行： 一行一行地解释字节码，然后执行。这种方式启动速度快，但运行速度慢。就像一个翻译官，一句一句地翻译，效率自然不高。
JIT（Just-In-Time）编译： 将热点代码（经常执行的代码）编译成本地机器码，然后直接执行。这种方式启动速度慢，但运行速度快。就像把一段重要的对话直接录音下来，以后直接播放，效率就高了。

JVM会根据代码的执行情况，动态地选择解释执行还是JIT编译。

JIT编译的优势：

性能提升： 将字节码编译成本地机器码，直接在硬件上运行，避免了JVM的解释开销。
优化： JIT编译器可以根据程序的运行时信息，进行更深层次的优化，例如方法内联、循环展开等。

JIT编译的劣势：

启动延迟： 需要时间进行编译，导致程序启动变慢。
内存占用： JIT编译后的机器码需要占用额外的内存空间。
预热： 需要一段时间才能识别热点代码并进行编译，程序需要“预热”才能达到最佳性能。

GraalVM：不只是一个JVM

GraalVM，它可不仅仅是一个JVM，而是一个通用虚拟机，或者说是一个“虚拟机平台”。它能运行多种编程语言，包括Java、JavaScript、Python、Ruby、R等。 GraalVM的核心在于它的多语言互操作性，以及高级优化能力。

GraalVM的核心组件包括：

Graal 编译器： 一个用Java编写的高性能编译器，可以将字节码编译成本地机器码，也可以将其他语言的代码编译成本地机器码。
Truffle 语言实现框架： 一个用于创建编程语言的框架，可以轻松地将新的语言添加到GraalVM平台。
Substrate VM： 一个轻量级的虚拟机，用于运行提前编译（AOT）的本地镜像。

可以把GraalVM想象成一个“语言联合国”，各种语言都可以在这个平台上和平共处，互相调用。

Substrate VM 和 Native Image：AOT 的魔法

现在，咱们来聊聊今天的主角：Substrate VM和Native Image。

Substrate VM是GraalVM的一个组件，它是一个轻量级的虚拟机，专门用于运行提前编译（AOT，Ahead-Of-Time）的本地镜像。

Native Image是使用GraalVM将Java应用程序编译成本地可执行文件（native executable）的过程。这个过程包括：

静态分析： 分析应用程序的代码，找出所有可达的代码（reachable code）。
AOT编译： 将可达的代码编译成本地机器码。
构建镜像： 将编译后的机器码、必要的运行时组件和元数据打包成一个独立的本地可执行文件。

AOT编译意味着在构建时就将代码编译成本地机器码，而不是像JIT编译那样在运行时进行编译。

可以把Native Image想象成把菜谱直接做成一道道美味佳肴，放到冰箱里，随时可以拿出来吃，不用再临时烹饪了。

Native Image的优势：

优势	描述
启动速度快	无需JVM预热，直接运行本地机器码，启动速度非常快，通常在毫秒级别。
内存占用少	只包含应用程序需要的代码和依赖，减少了内存占用，更适合云原生环境。
安全性高	由于代码在构建时已经编译完成，减少了运行时攻击面。
部署方便	生成的是一个独立的本地可执行文件，无需安装JVM，可以直接部署到目标环境。
峰值性能	直接执行本地机器码，避免了JIT编译的开销，可以更快地达到峰值性能。

Native Image的劣势：

劣势	描述
构建时间长	AOT编译需要进行静态分析和编译，构建时间较长，尤其对于大型应用程序。
闭包约束	Native Image构建时需要确定所有可达的代码，因此需要满足闭包约束，即不能使用动态类加载、反射等动态特性，或者需要通过配置文件显式地声明这些特性。
调试困难	由于是AOT编译，调试相对困难，需要使用特定的调试工具。
兼容性问题	某些Java库或框架可能不完全兼容Native Image，需要进行适配。

Native Image 的编译原理

Native Image的编译过程可以分解为以下几个步骤：

可达性分析： 这是Native Image构建过程中最关键的一步。它通过静态分析应用程序的代码，找出所有可达的代码。这个过程从应用程序的入口点（通常是main方法）开始，递归地分析所有被调用的方法、引用的类和字段。
- 静态分析： 静态分析是指在不运行程序的情况下，分析程序的代码结构和语义。
- 可达性： 可达性是指从程序的入口点出发，可以通过一系列的调用链访问到的代码。
这个过程非常重要，因为Native Image只会包含可达的代码，而不会包含任何未使用的代码。这样可以大大减小镜像的大小，并提高安全性。
AOT编译： 将可达的代码编译成本地机器码。Graal编译器使用高级优化技术，例如方法内联、循环展开、逃逸分析等，来生成高性能的本地机器码。
构建镜像： 将编译后的机器码、必要的运行时组件和元数据打包成一个独立的本地可执行文件。这个可执行文件包含了运行应用程序所需的所有内容，无需依赖JVM。

Native Image 的代码示例

咱们来看一个简单的例子，演示如何使用Native Image：

// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, Native Image!");
    }
}

编译Java代码：
```
javac HelloWorld.java
```
使用Native Image构建工具编译成Native Image：
```
native-image HelloWorld
```
这个命令会生成一个名为helloworld的本地可执行文件。
运行Native Image：
```
./helloworld
```
你会看到控制台输出：Hello, Native Image!

是不是很简单？

Native Image 的闭包约束

前面提到过，Native Image构建时需要满足闭包约束。这意味着你不能使用动态类加载、反射等动态特性，或者需要通过配置文件显式地声明这些特性。

为什么需要闭包约束？

因为Native Image需要在构建时确定所有可达的代码。如果使用动态特性，例如动态类加载，那么在构建时无法确定哪些类会被加载，哪些代码会被执行。这会导致Native Image无法正确构建。

如何解决闭包约束？

避免使用动态特性： 尽量避免使用动态类加载、反射等动态特性。
使用配置文件： 如果必须使用动态特性，可以通过配置文件显式地声明这些特性。GraalVM提供了一个名为reflection-config.json的配置文件，用于声明需要进行反射的类和方法。

例如，如果你需要使用反射来调用com.example.MyClass类的myMethod方法，你可以在reflection-config.json文件中添加以下内容：

[
  {
    "name": "com.example.MyClass",
    "methods": [
      {
        "name": "myMethod",
        "parameterTypes": []
      }
    ]
  }
]

然后在构建Native Image时，指定这个配置文件：

native-image -H:ReflectionConfigurationFiles=reflection-config.json HelloWorld

Native Image 的应用场景

Native Image非常适合以下应用场景：

云原生应用： 启动速度快、内存占用少，非常适合云原生环境。
微服务： 可以快速启动和扩展，提高微服务的响应速度和资源利用率。
命令行工具： 可以快速启动，提供更好的用户体验。
嵌入式系统： 内存占用少，适合资源受限的嵌入式系统。
无服务器函数（Serverless Functions）： 函数需要快速启动和执行，Native Image 可以显著降低冷启动时间。

Native Image 的一些实践技巧

使用GraalVM SDK： GraalVM SDK提供了一组工具和API，可以简化Native Image的开发和调试。
使用Maven或Gradle插件： Maven和Gradle都有相应的插件，可以方便地构建Native Image。
使用Tracer工具： GraalVM提供了一个名为Tracer的工具，可以帮助你分析应用程序的代码，找出需要进行反射的类和方法。
充分测试： 在构建Native Image之前，一定要充分测试你的应用程序，确保它在Native Image环境下也能正常运行。

Native Image 的未来展望

Native Image是Java发展的一个重要方向。随着GraalVM的不断发展和完善，Native Image将会越来越成熟，应用范围也会越来越广泛。未来，我们可以期待以下发展趋势：

更好的兼容性： 越来越多的Java库和框架将会支持Native Image。
更快的构建速度： GraalVM团队将会继续优化Native Image的构建过程，缩短构建时间。
更强大的优化能力： Graal编译器将会提供更强大的优化能力，进一步提高Native Image的性能。
更易用的工具： GraalVM将会提供更易用的工具，简化Native Image的开发和调试。

总结

今天咱们聊了GraalVM Native Image的编译原理和优势。Native Image是一项非常强大的技术，它可以将Java应用程序编译成本地可执行文件，从而提高启动速度、降低内存占用、提高安全性。虽然Native Image有一些限制，例如闭包约束，但通过一些实践技巧，我们可以克服这些限制，充分利用Native Image的优势。

希望今天的分享对你有所帮助。如果你对GraalVM Native Image感兴趣，不妨亲自尝试一下，相信你会发现它的魅力！

感谢大家的聆听！咱们下期再见！