一、Spring Native 是什么

Spring Native可以通過(guò)GraalVM將Spring應(yīng)用程序編譯成原生鏡像，提供了一種新的方式來(lái)部署Spring應(yīng)用。與Java虛擬機(jī)相比，原生鏡像可以在許多場(chǎng)景下降低工作負(fù)載，包括微服務(wù)，函數(shù)式服務(wù)，非常適合容器和Kubernetes。使用原生鏡像有明顯優(yōu)勢(shì)，如快速啟動(dòng)，提高峰值性能以及降低內(nèi)存消耗。Spring Native支持Java和Kotlin。

這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是尋找Spring JVM的替代方案，提供一個(gè)能將應(yīng)用程序打包，并運(yùn)行在輕量級(jí)容器的方案。期望能夠在Spring Native中支持所有的Spring應(yīng)用程序（幾乎不用修改代碼）。

原生（本地）鏡像是一種將Java代碼構(gòu)建為獨(dú)立可執(zhí)行文件的技術(shù)。該可執(zhí)行文件包括應(yīng)用程序類、其依賴項(xiàng)的類、運(yùn)行時(shí)庫(kù)類以及來(lái)自JDK的靜態(tài)鏈接本地代碼。JVM被打包到原生鏡像中，因此在目標(biāo)系統(tǒng)上不需要任何Java運(yùn)行環(huán)境，但構(gòu)建產(chǎn)物依賴于平臺(tái)。因此，需要為每個(gè)支持的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行一次構(gòu)建，在使用Docker等容器技術(shù)時(shí)會(huì)更加簡(jiǎn)單，將容器構(gòu)建為一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)，可以部署到任何Docker運(yùn)行時(shí)。

二、優(yōu)點(diǎn)

Spring Native的基礎(chǔ)是GraalVM，而GraalVM是使用Java靜態(tài)編譯，將Java字節(jié)碼編譯為匯編代碼，即二進(jìn)制native程序，他摒棄了JVM，這是成就它所有優(yōu)點(diǎn)的根本原因。
【1】編譯出來(lái)的原生Spring應(yīng)用可以作為一個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行文件進(jìn)行部署（不需要安裝JVM）
【2】幾乎瞬時(shí)的啟動(dòng)（一般小于100毫秒）
【3】瞬時(shí)的峰值性能
【4】更低的資源消耗

三、局限性

GraalVM項(xiàng)目也有一些缺點(diǎn)和權(quán)衡，希望隨著時(shí)間的推移有所改進(jìn)：
【1】構(gòu)建本地映像是一個(gè)繁重的過(guò)程，比JVM更長(zhǎng)的構(gòu)建時(shí)間；
【2】相比于傳統(tǒng)的Java運(yùn)行方式，運(yùn)行時(shí)優(yōu)化不足；
【3】不能直接支持反射、動(dòng)態(tài)代理等動(dòng)態(tài)特性；
【4】現(xiàn)在處于實(shí)驗(yàn)階段，生態(tài)比較少；

四、原生鏡像（native image）和常規(guī) JVM 程序的區(qū)別

【1】在構(gòu)建時(shí)會(huì)從主入口點(diǎn)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行靜態(tài)分析。
【2】在構(gòu)建時(shí)會(huì)移除未使用的代碼。
【3】需要配置反射、動(dòng)態(tài)代理等。
【4】類路徑ClassPath在構(gòu)建時(shí)就已經(jīng)確定。
【5】沒(méi)有類延遲加載：可執(zhí)行文件中所有的內(nèi)容都會(huì)在啟動(dòng)時(shí)加載到內(nèi)存中。
【6】在構(gòu)建時(shí)就運(yùn)行了一些代碼。
【7】構(gòu)建原生鏡像還存在一些局限性。
【8】一些Java切面類的特性未得到完全支持。

五、前置條件：GraalVM

通用遞歸應(yīng)用和算法語(yǔ)言虛擬機(jī)Graal VM是一個(gè)高性能的JDK發(fā)行版，專為Java和其他JVM語(yǔ)言編寫(xiě)，同時(shí)支持JavaScript、Ruby、Python和其他幾種語(yǔ)言。GraalVM的多語(yǔ)言能力使得在一個(gè)應(yīng)用程序中混合使用多種編程語(yǔ)言成為可能，同時(shí)消除了不同語(yǔ)言間互相調(diào)用的成本。它提供了一個(gè)原生鏡像生成器Native Image builder，這是一個(gè)從Java應(yīng)用中生成原生代碼并將其與VM一起打包成獨(dú)立可執(zhí)行文件的工具。Spring Boot Maven和Gradle Plugin除了少數(shù) 例外情況（Mockito目前不支持原生測(cè)試），正式支持該工具。

Ahead-Of-Time（AOT）編譯是將高級(jí)Java代碼編譯成本地可執(zhí)行代碼的過(guò)程。通常由JVM的即時(shí)編譯器JIT在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行編譯，這樣可以在執(zhí)行應(yīng)用程序時(shí)進(jìn)行觀察和優(yōu)化。在AOT編譯的情況下，這一優(yōu)勢(shì)就不復(fù)存在了。

通常，在進(jìn)行AOT（Ahead-of-Time）編譯之前，可以選擇進(jìn)行一個(gè)單獨(dú)的步驟，稱為AOT處理，即從代碼中收集元數(shù)據(jù)并提供給AOT編譯器。將這兩個(gè)步驟分開(kāi)是有意義的，因?yàn)?code>AOT處理可以是針對(duì)特定框架的，而AOT編譯器更加通用。下面的圖片給出了一個(gè)概覽：

Java平臺(tái)的另一個(gè)特點(diǎn)是，只需將JAR放入類路徑，就能在目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。通過(guò)啟動(dòng)時(shí)的反射和注解掃描，就能在應(yīng)用中獲得擴(kuò)展行為。不幸的是，這會(huì)減慢啟動(dòng)時(shí)間，而且不會(huì)帶來(lái)任何好處，尤其是對(duì)于云原生應(yīng)用，因?yàn)樵谠圃鷳?yīng)用中，服務(wù)器運(yùn)行時(shí)和Java基類都打包到了JAR中。因此，可以放棄這一功能，然后可以使用閉環(huán)優(yōu)化Closed World Optimization來(lái)構(gòu)建應(yīng)用。

詳細(xì)信息參考：JIT即時(shí)編譯與AOT提前編譯； GraalVM ：官網(wǎng)

六、Spring Native 基礎(chǔ)環(huán)境搭建

【1】必須安裝Docker： 可以參考 Windows10 Docker Desktop安裝 ，同時(shí)注意要能夠以非root用戶啟動(dòng)和運(yùn)行。可以通過(guò)使用docker run hello-world （不包含sudo）命令檢查Docker daemon是否可用。
【2】快速創(chuàng)建一個(gè)SpringBoot項(xiàng)目。
【3】添加Spring Native依賴： 必須在項(xiàng)目中手動(dòng)加入和配置。對(duì)于AOT處理，有一個(gè)單獨(dú)的Maven和Gradle插件，它并沒(méi)有合并到Spring Boot插件中。org.springframework.experimental:spring-native提供了native配置的API，例如@NativeHint這些Spring運(yùn)行成native image的注解類。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
    <artifactId>spring-native</artifactId>
    <version>0.9.1</version>
</dependency>

【4】添加Spring AOT插件： Spring AOT插件執(zhí)行代碼的提前轉(zhuǎn)換，有助于改善原生鏡像的占用空間和修復(fù)native image的兼容性。

<plugin>
    <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
    <artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId>
    <version>0.9.1</version>
    <executions>
        <execution>
            <id>test-generate</id>
            <goals>
                <goal>test-generate</goal>
            </goals>
        </execution>
        <execution>
            <id>generate</id>
            <goals>
                <goal>generate</goal>
            </goals>
        </execution>
    </executions>
</plugin>

【5】開(kāi)啟native image支持： Spring Boot的Spring Boot Buildpacks support可以將Spring Boot應(yīng)用程序打包成一個(gè)容器。native image buildpack可以通過(guò)BP_NATIVE_IMAGE環(huán)境變量開(kāi)啟。

<plugin>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <image>
            <builder>paketobuildpacks/builder:tiny</builder>
            <env>
                <BP_NATIVE_IMAGE>true</BP_NATIVE_IMAGE>
            </env>
        </image>
    </configuration>
</plugin>

【6】構(gòu)建本地應(yīng)用程序： 通過(guò)此命令，可以創(chuàng)建一個(gè)使用GraalVM native image compiler構(gòu)建的Linux容器，默認(rèn)情況下，這個(gè)鏡像是在本地。

mvn spring-boot:build-image

【7】原生鏡像構(gòu)建： 該Profile將在打包階段調(diào)用構(gòu)建中的native-image編譯器。通過(guò)在Maven package命令中提供native Profile，就可以構(gòu)建原生鏡像了：mvn clean package -Pnative

<profiles>
    <profile>
        <id>native</id>
        <build>
            <plugins>
                <plugin>
                    <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
                    <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
                    <version>0.9.17</version>
                    <executions>
                        <execution>
                            <id>build-native</id>
                            <goals>
                                <goal>build</goal>
                            </goals>
                            <phase>package</phase>
                        </execution>
                    </executions>
                </plugin>
                <plugin>
                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                    <configuration>
                        <classifier>exec</classifier>
                    </configuration>
                </plugin>
            </plugins>
        </build>
    </profile>
</profiles>

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