Java应用的Serverless化：优化Docker镜像层与运行时依赖裁剪的策略 - 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

Java 应用 Serverless 化：优化 Docker 镜像层与运行时依赖裁剪的策略

大家好，今天我们来深入探讨 Java 应用 Serverless 化的关键环节：Docker 镜像层优化与运行时依赖裁剪。Serverless 架构以其弹性伸缩、按需付费等优势，越来越受到开发者的青睐。而 Java 应用，作为企业级应用的主流选择，如何高效地迁移到 Serverless 平台，是我们今天讨论的核心。

传统的 Java 应用往往体积庞大，启动缓慢，这与 Serverless 的快速启动和轻量级运行的要求相悖。因此，对 Docker 镜像进行优化，并裁剪掉不必要的运行时依赖，是提升 Serverless Java 应用性能的关键。

一、Docker 镜像分层原理与优化策略

Docker 镜像由多个只读层组成，每一层代表 Dockerfile 中的一条指令。构建镜像时，Docker 会缓存每一层，并在下次构建时尝试重用这些层。理解这个分层原理，是优化 Docker 镜像大小和构建速度的基础。

1.1 Dockerfile 指令排序优化

Dockerfile 中指令的顺序对镜像分层有直接影响。经常变化的指令应放在 Dockerfile 的后面，而很少变化的指令应放在前面。这样可以最大程度地利用 Docker 的缓存机制，减少每次构建所需的时间。

例如，考虑以下两个 Dockerfile 片段：

Dockerfile (错误示例)

FROM openjdk:17-jdk-slim

COPY pom.xml .
RUN mvn dependency:go-offline

COPY src ./src
RUN mvn package

Dockerfile (优化示例)

FROM openjdk:17-jdk-slim

COPY pom.xml .
RUN mvn dependency:go-offline

COPY src ./src
RUN mvn package -Dmaven.test.skip=true

在第一个例子中，如果 src 目录下的代码发生变化，RUN mvn package 指令及其之前的指令都需要重新执行，即使 pom.xml 文件没有改变。而在第二个例子中，我们将 pom.xml 的复制和依赖下载放在了 src 复制之前。即使 src 目录发生变化，pom.xml 和依赖下载的层仍然可以被缓存。此外，添加 -Dmaven.test.skip=true 在打包时跳过测试，减少构建时间。

1.2 利用多阶段构建 (Multi-Stage Builds)

多阶段构建允许我们在一个 Dockerfile 中使用多个 FROM 指令，每个 FROM 指令代表一个构建阶段。我们可以利用不同的构建阶段完成不同的任务，例如编译、测试、构建可执行文件等。最终，我们只需要将最终的可执行文件复制到最终镜像中，从而减小镜像体积。

以下是一个使用多阶段构建的示例：

# 第一阶段：构建阶段
FROM maven:3.8.5-openjdk-17 AS builder

WORKDIR /app

COPY pom.xml .
COPY src ./src

RUN mvn clean package -DskipTests

# 第二阶段：运行阶段
FROM openjdk:17-jdk-slim

WORKDIR /app

COPY --from=builder /app/target/*.jar app.jar

EXPOSE 8080

ENTRYPOINT ["java", "-jar", "app.jar"]

在这个例子中，第一个阶段 (builder) 使用 Maven 镜像来构建应用程序。第二个阶段使用一个更小的 OpenJDK 镜像，并将第一个阶段构建好的 JAR 文件复制到其中。这样，我们最终的镜像只包含运行应用程序所需的文件，而不需要包含 Maven 构建工具。

1.3 选择合适的 Base Image

Base Image 是构建 Docker 镜像的基础。选择合适的 Base Image 可以显著减小镜像体积。对于 Java 应用，我们可以选择 openjdk:<version>-jdk-slim 或 eclipse-temurin:<version>-jre-slim 作为 Base Image。这些 slim 镜像只包含运行 Java 应用所需的最小依赖，而移除了开发工具和文档。

例如，openjdk:17-jdk-slim 镜像的大小通常在 300MB 左右，而 openjdk:17-jdk 镜像的大小可能超过 700MB。

1.4 减少镜像层数

每个 RUN 指令都会创建一个新的镜像层。为了减少镜像层数，我们可以将多个相关的 RUN 指令合并成一个。

例如，以下两个 Dockerfile 片段：

Dockerfile (未优化)

RUN apt-get update
RUN apt-get install -y curl
RUN apt-get install -y wget

Dockerfile (优化)

RUN apt-get update && 
    apt-get install -y curl wget && 
    apt-get clean

在优化后的例子中，我们将三个 RUN 指令合并成一个，并使用 apt-get clean 清理 APT 缓存，进一步减小镜像体积。

1.5 使用 .dockerignore 文件

.dockerignore 文件用于指定在构建镜像时需要忽略的文件和目录。将不必要的文件和目录添加到 .dockerignore 文件中，可以避免将这些文件复制到镜像中，从而减小镜像体积。

例如，我们可以将以下文件和目录添加到 .dockerignore 文件中：

.git
.idea
target
logs

1.6 镜像瘦身工具

可以使用一些工具来自动化镜像瘦身过程，例如：

DockerSlim: DockerSlim 可以分析容器镜像，并删除不必要的文件和依赖。
Dive: Dive 是一个用于探索 Docker 镜像的工具，它可以帮助我们识别镜像中占用空间较大的层和文件。

二、运行时依赖裁剪策略

除了优化 Docker 镜像层，裁剪运行时依赖也是减小 Java 应用体积的关键。传统的 Java 应用通常会引入大量的第三方库，其中很多库在 Serverless 环境下并不需要。

2.1 分析依赖关系

首先，我们需要分析应用程序的依赖关系，找出哪些依赖是必须的，哪些依赖是可以移除的。可以使用 Maven Dependency Analyzer 或类似的工具来分析依赖关系。

2.2 使用 ProGuard 或 R8 进行代码混淆和压缩

ProGuard 和 R8 是 Java 代码混淆和压缩工具。它们可以删除未使用的类、方法和字段，从而减小应用程序的体积。

对于 Android 应用，可以使用 R8 作为默认的代码压缩工具。对于其他 Java 应用，可以使用 ProGuard。

以下是一个 ProGuard 的配置示例：

-injars      target/myapp.jar
-outjars     target/myapp-obfuscated.jar

-keep public class com.example.myapp.** {
    public static void main(java.lang.String[]);
}

-dontwarn
-dontoptimize
-dontpreverify
-verbose
-ignorewarnings

这个配置文件指定了 ProGuard 的输入和输出 JAR 文件，以及需要保留的类。keep 指令用于保留 com.example.myapp 包下的所有类，以及 main 方法。

2.3 使用 Java Linker (jlink) 创建自定义运行时镜像

Java 9 引入了 Java 平台模块系统 (JPMS)，允许我们创建自定义的 Java 运行时镜像。jlink 工具可以根据应用程序的依赖关系，创建一个只包含所需模块的运行时镜像。

使用 jlink 可以显著减小 Java 运行时的体积。例如，我们可以创建一个只包含 java.base 和 java.net.http 模块的运行时镜像。

以下是一个使用 jlink 创建自定义运行时镜像的示例：

jlink --module-path $JAVA_HOME/jmods --add-modules java.base,java.net.http --output jre-minimal

这个命令会创建一个名为 jre-minimal 的目录，其中包含只包含 java.base 和 java.net.http 模块的运行时镜像。

2.4 避免使用大型框架

大型框架（例如 Spring Boot）通常会引入大量的依赖，其中很多依赖在 Serverless 环境下并不需要。可以考虑使用轻量级的框架（例如 Micronaut 或 Quarkus），或者直接使用 Java 标准库来构建应用程序。

2.5 使用 GraalVM Native Image

GraalVM Native Image 可以将 Java 应用编译成原生可执行文件。原生可执行文件不需要 JVM 即可运行，启动速度非常快，并且占用资源非常少。

使用 GraalVM Native Image 可以显著提升 Serverless Java 应用的性能。但是，Native Image 也有一些限制，例如不支持动态类加载和反射。

以下是一个使用 GraalVM Native Image 构建原生可执行文件的示例：

gu install native-image
native-image -jar myapp.jar myapp

这个命令会使用 native-image 工具将 myapp.jar 文件编译成一个名为 myapp 的原生可执行文件。

三、实际案例分析：Spring Boot 应用 Serverless 化

我们以一个简单的 Spring Boot 应用为例，演示如何进行 Docker 镜像优化和运行时依赖裁剪。

3.1 原始 Spring Boot 应用

假设我们有一个简单的 Spring Boot 应用，它提供一个 REST API 接口。

pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>3.1.5</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>
    <groupId>com.example</groupId>
    <artifactId>demo</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>demo</name>
    <description>Demo project for Spring Boot</description>
    <properties>
        <java.version>17</java.version>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

DemoApplication.java

package com.example.demo;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@SpringBootApplication
@RestController
public class DemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }

    @GetMapping("/")
    public String hello() {
        return "Hello, Serverless!";
    }

}

3.2 优化后的 Dockerfile

# 第一阶段：构建阶段
FROM maven:3.8.5-openjdk-17 AS builder

WORKDIR /app

COPY pom.xml .
COPY src ./src

RUN mvn clean package -DskipTests

# 第二阶段：运行阶段
FROM eclipse-temurin:17-jre-slim

WORKDIR /app

COPY --from=builder /app/target/*.jar app.jar

EXPOSE 8080

ENTRYPOINT ["java", "-jar", "app.jar"]

在这个 Dockerfile 中，我们使用了多阶段构建，并将 Base Image 更改为 eclipse-temurin:17-jre-slim。

3.3 使用 jlink 创建自定义运行时镜像 (可选)

如果需要进一步减小镜像体积，可以使用 jlink 创建自定义运行时镜像。首先，我们需要分析应用程序的依赖关系，确定所需的模块。可以使用 jdeps 工具来分析依赖关系。

jdeps --module-path $JAVA_HOME/jmods --generate-module-info target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar

这个命令会生成一个 module-info.java 文件，其中包含了应用程序的依赖模块。然后，我们可以使用 jlink 创建自定义运行时镜像。

jlink --module-path $JAVA_HOME/jmods --add-modules java.base,java.net.http,java.naming --output jre-minimal

然后修改Dockerfile

# 第一阶段：构建阶段
FROM maven:3.8.5-openjdk-17 AS builder

WORKDIR /app

COPY pom.xml .
COPY src ./src

RUN mvn clean package -DskipTests

# 第二阶段：创建最小JRE
FROM openjdk:17-jdk-slim AS jre-builder

WORKDIR /app

COPY --from=builder /app/target/*.jar app.jar

RUN  jdeps --module-path $JAVA_HOME/jmods --generate-module-info app.jar
RUN  jlink --module-path $JAVA_HOME/jmods --add-modules java.base,java.net.http,java.naming --output /jre-minimal

# 第三阶段：运行阶段
FROM alpine:latest

WORKDIR /app

COPY --from=jre-builder /jre-minimal /opt/java/jre
COPY --from=builder /app/target/*.jar app.jar

ENV JAVA_HOME=/opt/java/jre
ENV PATH="$JAVA_HOME/bin:${PATH}"

EXPOSE 8080

ENTRYPOINT ["java", "-jar", "app.jar"]

3.4 使用 GraalVM Native Image (可选)

如果需要进一步提升性能，可以使用 GraalVM Native Image 将应用程序编译成原生可执行文件。首先，我们需要安装 GraalVM 和 Native Image 工具。

gu install native-image

然后，我们需要使用 native-image 工具将应用程序编译成原生可执行文件。

native-image -jar target/demo-0.0.1-SNAPSHOT.jar demo

需要修改Dockerfile

# 第一阶段：构建阶段
FROM maven:3.8.5-openjdk-17 AS builder

WORKDIR /app

COPY pom.xml .
COPY src ./src

RUN mvn clean package -DskipTests

# 第二阶段：Native Image 构建阶段
FROM ghcr.io/graalvm/native-image:23.0.1-java17 as native-builder

WORKDIR /app

COPY --from=builder /app/target/*.jar app.jar

RUN native-image -jar app.jar demo

# 第三阶段：运行阶段
FROM alpine:latest

WORKDIR /app

COPY --from=native-builder /app/demo demo

EXPOSE 8080

ENTRYPOINT ["./demo"]

3.5 性能对比

优化策略	镜像大小	启动时间
原始 Spring Boot 应用	700MB+	5-10 秒
优化后的 Dockerfile	300MB+	2-5 秒
使用 jlink 创建自定义运行时镜像 (可选)	200MB+	1-3 秒
使用 GraalVM Native Image (可选)	50MB-	0.1-0.5秒

通过以上优化，我们可以显著减小 Docker 镜像体积，并提升 Serverless Java 应用的性能。

四、Serverless 平台特定的优化

不同的 Serverless 平台可能提供不同的优化机制，例如 AWS Lambda Layers、Azure Functions Premium Plan 等。我们需要根据所使用的平台，充分利用这些优化机制。

例如，AWS Lambda Layers 允许我们将公共依赖（例如日志库、HTTP 客户端等）打包成一个 Layer，并在多个 Lambda 函数之间共享。这样可以避免在每个 Lambda 函数中都包含相同的依赖，从而减小函数体积。

五、持续优化与监控

Serverless 化的过程是一个持续优化的过程。我们需要定期分析应用程序的性能瓶颈，并根据实际情况调整优化策略。

同时，我们需要对 Serverless 应用进行监控，及时发现和解决问题。可以使用 CloudWatch、Azure Monitor 等工具来监控应用程序的性能指标，例如请求延迟、错误率、资源使用率等。

结论

Serverless 化为 Java 应用带来了诸多优势，但也带来了新的挑战。通过对 Docker 镜像层进行精细化管理，并根据实际需求裁剪运行时依赖，我们可以构建出轻量级、高性能的 Serverless Java 应用。记住，这是一个持续迭代的过程，需要我们不断探索和优化。

希望今天的分享对大家有所帮助。谢谢！

依赖裁剪与镜像瘦身：Serverless Java应用的必备技能

通过Dockerfile优化，多阶段构建，依赖分析，代码混淆以及选择合适的base镜像等手段，可以显著减少Java应用在Serverless环境中的镜像大小和启动时间。

性能监控与持续优化：让Serverless Java应用更上一层楼

Serverless化不是一蹴而就的，需要持续的性能监控和优化，以便及时发现并解决性能瓶颈，并充分利用Serverless平台提供的优化特性。