初探GraalVM

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JAVA老态渐显

人们一开始被JAVA语言的”write once, run anywhere”特性所吸引，后来变成离不开JAVA繁荣的生态。但作为一门发展了快30年的编程语言，近些年来，在云原生的趋势下，JAVA优点逐渐变成大家都有，而缺陷却愈发明显。
比如.NET的开源使得多了虚拟机，也可以一次编写、到处运行。另外，随着容器化的流行，”build once, run anywhere”逐渐深入人心，可以认为各种语言都具备跨平台的能力了。由于云原生基础设施大多由go和rust语言开发，go和rust也越来越流行。
JAVA被诟病体积大、启动缓慢、占用内存多、执行速度不是很快等等。

GraalVM是什么

简单地说，GraalVM是一个能在多种CPU架构上支持多种操作系统，将多种编程语言源代码编译成本地代码的编译工具。
硬件上，主要是支持ARM64和x86_64。操作系统上，支持主流的Windows、Linux、MacOS。编程语言上，支持Java、JavaScript、Python、Ruby、R、wasm等，而且也支持他们的互相调用。

GraalVM如何使用

GraalVM目前只支持64位架构的CPU，包括amd64（也有称之为x84_64的）和aarch64（也有称之为arm64的）。
同时，操作系统也必须是64位的，官方支持的操作系统有Linux、Windows、MacOS。
另一方面，JDK的版本支持JDK8、JDK11、JDK17。
支持的组合如下：

# https://www.oracle.com/downloads/graalvm-downloads.html?selected_tab=1
graalvm-ee-jdk8-linux-*.tar.gz
graalvm-ee-jdk8-windows-*.tar.gz
graalvm-ee-jdk8-darwin-*.tar.gz
# https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases
graalvm-ce-jdk11-linux-amd64-*.tar.gz
graalvm-ce-jdk11-linux-aarch64-*.tar.gz
graalvm-ce-jdk11-darwin-amd64-*.tar.gz
graalvm-ce-jdk11-windows-amd64-*.tar.gz

graalvm-ce-jdk17-linux-amd64-*.tar.gz
graalvm-ce-jdk17-linux-aarch64-*.tar.gz
graalvm-ce-jdk17-darwin-amd64-*.tar.gz
graalvm-ce-jdk17-windows-amd64-*.tar.gz

GraalVM支持使用JVMCI将代码编译成字节码，也支持将字节码再编译成原生镜像:

# 编译成字节码 cd src/main/java/ javac p/k/g/Klazz.java # 安装原生镜像编译工具 gu install native-image # 如果是EE版本，使用"gu -L install ${user.home}/Downloads/native-image-installable-svm-svmee-${java.version}-${os}-${arch}-${version}.jar" # 查看安装是否成功（出现native-image则成功） gu list # 安装编译工具（Linux为GCC、Windows可以安装Visual Studio） redhat/centos等rpm系列，使用如下命令： sudo dnf install gcc glibc-devel zlib-devel libstdc++-static debian/ubuntu等deb系列，使用如下命令： sudo apt-get install build-essential libz-dev zlib1g-dev # Windows系统报错： # Error: Default native-compiler executable 'cl.exe' not found via environment variable PATH # Error: To prevent native-toolchain checking provide command-line option -H:-CheckToolchain # com.oracle.svm.core.util.UserError$UserException: Default native-compiler executable 'cl.exe' not found via environment variable PATH # 下载Visual Studio，并安装windows sdk # 开始菜单输入“x64”，（根据VS版本，比如最新的是2022）从自动搜索结果找到“x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022"，打开该应用 # class文件必须和native-image同磁盘分区，否则报如下错误： # Fatal error:java.lang.IllegalArgumentException: java.lang.IllegalArgumentException: 'other' has different root 

以linux下JDK17为例:

• fibonacci

先看一个较简单的java应用,，使用递归方式计算斐波那契数列。

public class Main { public static void main(String[] args) { long start = System.nanoTime(); int gap = 80; if(args.length > 0) { gap = Integer.parseInt(args[0]); } if(gap < 2 || gap > 80) { throw new IllegalArgumentException("参数必须在2~80之间"); } long total = fibonacci(gap); // 80:  // 30:  System.out.println(total); System.out.println((System.nanoTime() - start) / 1000); } private static long fibonacci(long gap) { if(gap == 1L || gap == 2L) { return 1L; } return fibonacci(gap - 1) + fibonacci(gap - 2); } } 

源代码739字节，使用JDK8编译成的class只有999字节,编译成本地代码后大概16M（）。
整个的编译耗时约22秒，内存使用最高接近5G，过程信息如下：

[root@localhost ~]# $JAVA_HOME/bin/native-image Main [main:80299] classlist: 1,477.90 ms, 0.96 GB [main:80299] (cap): 318.30 ms, 0.96 GB [main:80299] setup: 1,514.49 ms, 0.96 GB [main:80299] (clinit): 100.39 ms, 2.36 GB [main:80299] (typeflow): 1,440.80 ms, 2.36 GB [main:80299] (objects): 2,625.83 ms, 2.36 GB [main:80299] (features): 1,048.63 ms, 2.36 GB [main:80299] analysis: 5,625.17 ms, 2.36 GB [main:80299] universe: 486.45 ms, 2.36 GB [main:80299] (parse): 425.09 ms, 2.36 GB [main:80299] (inline): 674.63 ms, 2.37 GB [main:80299] (compile): 9,235.29 ms, 4.61 GB [main:80299] compile: 11,133.33 ms, 4.61 GB [main:80299] image: 859.84 ms, 4.61 GB [main:80299] write: 333.49 ms, 4.61 GB [main:80299] [total]: 21,592.56 ms, 4.61 GB [root@localhost ~]# ll -rwxrwxr-x. 1 root root  12月 26 10:58 main -rw-rw-r--. 1 root root 19 12月 26 10:58 main.build_artifacts.txt -rwxrwxrwx. 1 root root 999 12月 25 21:49 Main.class 

从运行时间上看，本地代码略优于字节码。内存占用上，本地代码也是优于字节码的。而在CPU使用率上，两者基本没有差别。
由于程序不涉及网络或磁盘开销，此处就不做比较。

各执行3次汇总数据对比如下：

第一次使用graalvm的jdk17运行，先启动vmstat，后启动应用，详细数据如下：

[root@localhost ~]# vmstat -t -w 1 100 procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu-------- -----timestamp----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st CST 0 0 0  3788  0 0 25 1 33 24 2 0 98 0 0 2021-12-28 16:10:13 1 0 0  3788  0 0 0 0 2097 2718 3 0 97 0 0 2021-12-28 16:10:14 1 0 0  3788  0 0 0 0 1284 373 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:15 1 0 0  3788  0 0 0 36 1317 404 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:16 1 0 0  3788  0 0 0 0 1237 296 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:17 1 0 0  3788  0 0 0 0 1283 305 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:18 1 0 0  3788  0 0 0 0 1239 293 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:19 1 0 0  3788  0 0 0 0 1282 311 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:20 1 0 0  3788  0 0 0 16 1368 363 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:21 1 0 0  3788  0 0 0 0 1408 364 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:22 1 0 0  3788  0 0 0 0 1249 310 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:23 1 0 0  3788  0 0 0 0 1279 318 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:24 1 0 0  3788  0 0 0 0 1214 246 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:25 1 0 0  3788  0 0 0 8 1279 250 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:26 1 0 0  3788  0 0 0 0 1619 504 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:27 1 0 0  3788  0 0 0 0 1184 220 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:28 1 0 0  3788  0 0 0 0 1175 218 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:29 1 0 0  3788  0 0 0 2 1177 219 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:30 1 0 0  3788  0 0 0 12 1295 302 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:31 1 0 0  3788  0 0 0 0 1175 202 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:32 1 0 0  3788  0 0 0 0 1176 232 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:33 2 0 0  3788  0 0 0 0 1440 311 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:34 1 0 0  3788  0 0 0 0 1262 316 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:10:35 0 0 0  3788  0 0 0 4 1042 677 2 0 98 0 0 2021-12-28 16:10:36 0 0 0  3788  0 0 0 0 191 255 0 0 100 0 0 2021-12-28 16:10:37 0 0 0  3788  0 0 0 0 1465 1948 0 0 100 0 0 2021-12-28 16:10:38 

[root@localhost ~]# date && $JAVA_HOME/bin/java Main 50 && date 2021年 12月 28日 星期二 16:10:14 CST   2021年 12月 28日 星期二 16:10:35 CST 

第二次使用本地代码，同样先启动vmstat，然后启动应用，详细数据如下：

[root@localhost ~]# vmstat -t -w 1 100 procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu-------- -----timestamp----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st CST 0 0 0  6960  0 0 22 1 36 31 1 0 98 0 0 2021-12-28 16:17:03 1 0 0  6960  0 0 15896 12 1985 2325 2 0 98 0 0 2021-12-28 16:17:04 1 0 0  6960  0 0 0 4 1311 361 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:05 1 0 0  6960  0 0 0 0 1350 303 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:06 1 0 0  6960  0 0 0 0 1307 369 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:07 1 0 0  6960  0 0 0 0 1239 285 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:08 1 0 0  6960  0 0 0 0 1245 356 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:09 1 0 0  6960  0 0 0 4 1267 296 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:10 1 0 0  6960  0 0 0 0 1449 373 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:11 1 0 0  6960  0 0 0 0 1313 279 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:12 1 0 0  6960  0 0 0 0 1293 309 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:13 1 0 0  6960  0 0 0 0 1265 300 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:14 1 0 0  6960  0 0 0 0 1531 436 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:15 2 0 0  6960  0 0 0 0 1246 237 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:16 1 0 0  6960  0 0 0 0 1211 228 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:17 1 0 0  6960  0 0 0 0 1178 200 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:18 1 0 0  6960  0 0 0 0 1200 234 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:19 1 0 0  6960  0 0 0 8 1225 235 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:20 1 0 0  6960  0 0 0 0 1279 272 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:21 1 0 0  6960  0 0 0 0 1185 220 6 0 94 0 0 2021-12-28 16:17:22 1 0 0  6960  0 0 0 0 1128 495 4 0 96 0 0 2021-12-28 16:17:23 0 0 0  6960  0 0 0 0 329 464 0 0 100 0 0 2021-12-28 16:17:24 

[root@localhost ~]# date && ./main 50 && date 2021年 12月 28日 星期二 16:17:04 CST   2021年 12月 28日 星期二 16:17:23 CST