新一代虚拟机GraalVM

末蓝、 2023-09-28 08:04 35阅读 0赞

在JDK10以前，能进行性能优化的即时编译器只有C2，但C2编译器的代码据说已经变得非常庞大且臃肿，同时伴随着云原生时代的到来，Java这种需要借助JDK才能运行的语言就显得格外臃肿，于是就有了Graal编译器的诞生，Graal编译器提供了非常强悍的能力，所以通常把Graal编译器与HotSpot合称为新一代的虚拟机——GraalVM。

GraalVM是一个高性能JDK发行版，旨在加速用Java和其他语言编写的应用程序的执行，并支持JavaScript、Ruby、Python和许多其他流行语言。  
![在这里插入图片描述][bdcd82cb29ad4c1c93fcb960e4b3c680.png_pic_center]  
从上面的图也可以看出来GraalVM并不是一个全新的异于HotSpot的虚拟机，而是在HotSpot的基础上，提供了功能非常强大的JIT编译器Graal Compiler。

GraalVM的设计目标是为了可以在不同的环境中运行程序，可以在JVM上运行，也可以直接将程序编译成独立的本地镜像(不需要JDK环境就能运行)，或者将Java及本地代码模块集成为更大型的应用。

### 一、GraalVM下载和安装 ###

GraalVM下载地址：[https://www.oracle.com/downloads/graalvm-downloads.html][https_www.oracle.com_downloads_graalvm-downloads.html]，企业版目前也是免费的，可以使用企业版来学习使用。

选择GraalVM 20的版本，然后JDK版本选择8  
![6d4ee4cf390d48e1af239c6c14e5e4ec.png][]

在linux服务器上下载完压缩包以后，通过下面的命令解压：

tar -zxf graalvm-ee-java8-linux-amd64-20.3.5.tar.gz

然后配置环境变量

[root@lizhi graalvm-ee-java8-20.3.5]# vi /etc/profile

JAVA_HOME=/usr/local/graalvm/graalvm-ee-java8-20.3.5
    PATH=/usr/local/graalvm/graalvm-ee-java8-20.3.5/bin:$PATH
    export JAVA_HOME PATH

刷新配置文件，使其立即生效

[root@lizhi graalvm-ee-java8-20.3.5]# source /etc/profile

然后通过`java -version`查看

[root@lizhi graalvm-ee-java8-20.3.5]# java -version
    java version "1.8.0_321"
    Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_321-07)
    Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM GraalVM EE 20.3.5 (build 25.321-b07-jvmci-20.3-b28, mixed mode)

使用 GraalVM Enterprise，可以将 Java 字节码编译为特定于平台的、自包含的本机可执行文件（本机映像 `Native Image`），以实现更快的启动和更小的应用程序占用空间。

安装命令如下：

[root@lizhi graalvm]# gu install native-image
    Downloading: Release index file from oca.opensource.oracle.com
    Downloading: Component catalog for GraalVM Enterprise Edition 20.3.5 on jdk8 from oca.opensource.oracle.com
    Skipping ULN EE channels, no username provided.
    Downloading: Component catalog from www.graalvm.org
    Processing Component: Native Image
    The component(s) Native Image requires to accept the following license: Oracle GraalVM Enterprise Edition Native Image License
    Enter "Y" to confirm and accept all the license(s). Enter "R" to the see license text.
    Any other input will abort installation:  Y
    Downloading: Contents of "Oracle GraalVM Enterprise Edition Native Image License" from oca.opensource.oracle.com
    Downloading: Component native-image: Native Image  from oca.opensource.oracle.com
    Installing new component: Native Image (org.graalvm.native-image, version 20.3.5)

然后通过`gu list`命令查看是否已经安装

[root@lizhi graalvm]# gu list
    ComponentId              Version             Component name      Origin 
    --------------------------------------------------------------------------------
    js                       20.3.5              Graal.js            
    graalvm                  20.3.5              GraalVM Core        
    native-image             20.3.5              Native Image        oca.opensource.oracle.com

### 二、GraalVM初体验 ###

下面通过一个简单的程序来体验一下GraalVM的强大之处。

创建一个简单的带有`main()`方法的类：

public class GraalVMTest {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            System.out.println("Hello World");
        }
    }

然后编译执行

[root@lizhi graalvm]# javac GraalVMTest.java 
    [root@lizhi graalvm]# ll
    total 408752
    drwxr-xr-x 10 root root       252 May 25 17:12 graalvm-ee-java8-20.3.5
    -rw-r--r--  1 root root 418550564 Mar 12 14:39 graalvm-ee-java8-linux-amd64-20.3.5.tar.gz
    -rw-r--r--  1 root root       427 May 25 17:18 GraalVMTest.class
    -rw-r--r--  1 root root       123 May 25 17:17 GraalVMTest.java
    [root@lizhi graalvm]# java GraalVMTest 
    Hello World

下面通过`native-image`将其打包成一个本地镜像文件

[root@lizhi graalvm]# native-image GraalVMTest
    [graalvmtest:1217273]    classlist:   3,329.43 ms,  1.14 GB
    [graalvmtest:1217273]        (cap):     920.18 ms,  1.62 GB
    [graalvmtest:1217273]        setup:   4,131.87 ms,  1.62 GB
    [graalvmtest:1217273]     (clinit):     150.62 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]   (typeflow):   4,826.96 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]    (objects):   3,083.11 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]   (features):     173.80 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]     analysis:   8,392.21 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]     universe:     466.57 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]      (parse):   1,589.48 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]     (inline):   1,485.74 ms,  1.71 GB
    [graalvmtest:1217273]    (compile):  17,884.23 ms,  2.08 GB
    [graalvmtest:1217273]      compile:  21,618.90 ms,  2.08 GB
    [graalvmtest:1217273]        image:     824.10 ms,  2.08 GB
    [graalvmtest:1217273]        write:     195.61 ms,  2.08 GB
    [graalvmtest:1217273]      [total]:  39,220.82 ms,  2.08 GB
    [root@lizhi graalvm]# ll
    total 412732
    drwxr-xr-x 10 root root       252 May 25 17:12 graalvm-ee-java8-20.3.5
    -rw-r--r--  1 root root 418550564 Mar 12 14:39 graalvm-ee-java8-linux-amd64-20.3.5.tar.gz
    -rwxr-xr-x  1 root root   4074968 May 25 17:21 graalvmtest
    -rw-r--r--  1 root root       427 May 25 17:18 GraalVMTest.class
    -rw-r--r--  1 root root       123 May 25 17:17 GraalVMTest.java
    [root@lizhi graalvm]# ./graalvmtest 
    Hello World

这样就生成了一个可执行文件，相比于Java的编译过程，打包成镜像文件的过程就很繁琐，即便是这样一个简单的小程序就要近一分钟的时间。这个过程就是将Java字节码编译成特性平台、自包含的本机可执行文件(本地镜像 Native Image)，以实现更快的启动和更小应用程序空间。

可以通过`time`命令比对一下上面两种程序执行方式的区别：

*  通过JVM来运行
    
        [root@lizhi graalvm]# time java GraalVMTest 
        Hello World
        
        real    0m0.063s
        user    0m0.045s
        sys     0m0.020s
 *  直接执行镜像文件
    
        [root@lizhi graalvm]# time ./graalvmtest 
        Hello World
        
        real    0m0.002s
        user    0m0.000s
        sys     0m0.002s

通过比对就可以发现，通过本地镜像启动程序，启动速度就要快很多，阿里通过这种方式加快容器的启动速度，直接将启动速度提升20倍。

最重要的一点是，这种可执行文件是不需要JDK环境的，所以可以非常便捷的完成快速的容器化部署，这才符合云原生的要求。

将镜像文件拷贝到本地的虚拟机，本地虚拟机没有安装JDK，拷贝过来后还要先授权`chmod 777`，然后就可以运行

lizhi@Dog-li:~/test$ java -version
    
    Command 'java' not found, but can be installed with:
    
    sudo apt install default-jre            
    sudo apt install openjdk-11-jre-headless
    sudo apt install openjdk-8-jre-headless 
    
    lizhi@Dog-li:~/test$ ./graalvmtest 
    Hello World

### 三、C2编译器与Graal编译器的区别 ###

![81f960dd13b843428d92e62644f53cbb.png][]

即时编译器是 Java 虚拟机中相对独立的模块，它主要负责接收 Java 字节码，并生成可以直接运行的二进制码。

但在Graal之前，以JDK8为例，即时编译器与Java虚拟机时紧耦合的，也就是说对即时编译器的更改需要重新编译整个Java虚拟机，这对于开发相对活跃的Graal来说是难以接收的。

为了让Java虚拟机与Graal解耦合，引入了Java虚拟机编译器接口(**JVM Compiler Interface，JVMCI**)，将即时编译器的功能抽象成一个Java层面的接口。这样一来，在Graal所依赖的JVMCI版本不变的情况下，我们仅需要替换Graal 译器相关的jar包(Java 9 以后的 jmod 文件)，便可完成对Graal的升级

Graal和C2最显著的区别就是：Graal是用Java写的，而C2是用C++写的。相对来说，Graal更加模块化，也更容易开发与维护，毕竟，连C2的开发者都不想去维护C2了。

Graal 的内联算法对新语法、新语言更加友好，例如 Java 8 的 lambda 表达式以及 Scala 语言。

以下面的例子来看这两者对于优化的效率：

public class Test {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            String sentence = String.join(" ",args);
            long total = 0L,start = System.currentTimeMillis(),last = start;
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                for (int j = 0; j < 10_000_000; j++) {
        
                    total += sentence.chars().filter(Character::isUpperCase).count();
                    if (j % 10_000_000 == 0){
        
                        long now = System.currentTimeMillis();
                        System.out.printf("%d (%d ms)%n",i,now-last);
                        last = now;
                    }
                }
            }
            System.out.printf("total: %d (%d ms)%n ",total,System.currentTimeMillis() -start);
        }
    }

上面这段代码循环内需要运行一千万次，会触发即时编译，所以下面通过对于在JDK8和GraalVM中运行这端代码的耗时：

**JDK8**:

[root@zhuyuzhu test]# java -version
    openjdk version "1.8.0_302"
    OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_302-b08)
    OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.302-b08, mixed mode)
    [root@zhuyuzhu test]# java Test 
    0 (74 ms)
    1 (717 ms)
    2 (638 ms)
    3 (616 ms)
    4 (607 ms)
    5 (600 ms)
    6 (624 ms)
    7 (594 ms)
    8 (597 ms)
    9 (621 ms)
    total: 0 (6292 ms)

**GraalVM**:

[root@lizhi graalvm]# java -version
    java version "1.8.0_321"
    Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_321-07)
    Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM GraalVM EE 20.3.5 (build 25.321-b07-jvmci-20.3-b28, mixed mode)
    [root@lizhi graalvm]# java Test 
    0 (62 ms)
    1 (124 ms)
    2 (448 ms)
    3 (16 ms)
    4 (16 ms)
    5 (15 ms)
    6 (16 ms)
    7 (15 ms)
    8 (16 ms)
    9 (15 ms)
    total: 0 (759 ms)

从运行结果可以明显的看出来，Graal即时编译器的优化能力要比C2强很多。

[bdcd82cb29ad4c1c93fcb960e4b3c680.png_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/bdcd82cb29ad4c1c93fcb960e4b3c680.png#pic_center
[https_www.oracle.com_downloads_graalvm-downloads.html]: https://www.oracle.com/downloads/graalvm-downloads.html
[6d4ee4cf390d48e1af239c6c14e5e4ec.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6d4ee4cf390d48e1af239c6c14e5e4ec.png
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