【譯】GraalVM—下一代JVM介紹

2020 年 7 月 16 日
筆記
GraalVM, JAVA

原標題：GraalVM – an introduction to the next level JVM

隨著Red Hat宣布Quarkus作為…

為GraalVM和HotSpot量身訂製的下一代Kubernetes原生Java框架，使用一流的Java庫和標準構建

//quarkus.io

Red Hat展示的Quarkus示例項目的啟動速度和記憶體消耗給我留下了深刻的印象。令人印象深刻的主要原因之一是，程式碼是用GraalVM提前（ahead-of-time，AOT）編譯成本機映像（native image）的。為了幫助您更好地了解傳統的HotSpot JVM和GraalVM之間的區別，我將在此部落格文章中向您介紹GraalVM及其功能和歷史。

TL; DR：GraalVM是Oracle開發的用純Java編寫的JVM擴展，支援多語言編程和提前編譯。

HotSpot Java虛擬機的歷史

多年來，HotSpot是Oracle維護和分發的主要Java虛擬機，用於運行Java程式。 Java HotSpot Performance Engine於1999年發布，最初由Animorphic開發，該公司被Sun Microsystems收購，現在由Oracle擁有。該虛擬機主要用C / C ++編寫，並且變得越來越複雜（2007年估計有250.000行程式碼）。

HotSpot JVM的主要目的是運行Java位元組碼（.class文件）並持續分析程式的性能，以查找程式中經常執行的所謂熱點，並即時（JIT，全稱just-in-time）將其編譯為本機程式碼（機器程式碼）以提高性能。這是在運行時完成的，而不是在Java程式執行之前執行的，因此是即時（just-in-time）的。

在HotSpot JVM中運行Java程式碼的工作流程如下所示（簡化）：

HotSpot虛擬機主要解釋程式提供的Java位元組碼，但在程式運行過程中發現有適合優化的部分時，也會及時將這部分位元組碼編譯為機器程式碼。

當使用JIT編譯器編譯一個方法時，當該方法被調用時，jvm將直接執行編譯出來的機器碼，而不是解釋它以此來提高性能。由於編譯本機程式碼需要CPU時間和記憶體，JVM必須在運行時決定編譯哪些方法，因為將所有方法直接編譯為本機程式碼會影響性能。

Java 9發行版中的更改

藉助Java 9，特別是JEP 295，JDK獲得了提前（ahead-of-time，AOT）編譯器jaotc。該編譯器使用OpenJDK項目Graal進行後端程式碼生成，這樣做的原因如下：

JIT編譯器速度很快，但是Java程式可能非常龐大，以至於JIT完全預熱需要很長時間。很少使用的Java方法可能根本不會被編譯，由於重複的解釋調用可能會導致性能下降

//openjdk.java.net/jeps/295

Graal OpenJDK項目演示了用純Java編寫的編譯器可以生成高度優化的程式碼。使用此AOT編譯器和Java 9，您可以提前手動編譯Java程式碼。這意味著在執行之前生成機器程式碼，而不是像JIT編譯器那樣在運行時生成程式碼，這是第一種實驗性的方法。

# using the new AOT compiler (jaotc is bundeled within JDK 9 and above)
jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
jaotc --output libjava.base.so --module java.base
 
# with Java 9 you have to manually specify the location of the native code
java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld

這將改善啟動時間，因為JIT編譯器不必攔截程式的執行。這種方法的主要缺點是生成的機器程式碼依賴於程式所在的平台（Linux，MacOS，windows…）。這可能導致AOT編譯程式碼與特定平台綁定。

GraalVM的架構

基於Graal編譯器，Oracle開始開發GraalVM，不僅與HotSpots JVM的複雜C/C++程式碼庫一起工作，而且還可以通過用Java編寫的虛擬機解決當前的多語言遷移問題。

GraalVM的架構如下所示：

首先，您可能會注意到一些非JVM語言的存在。現在可以在這個通用虛擬機中運行Ruby、R或JavaScript程式碼。只是因為GraalVM採用了Truffle框架。Truffle是一個開源庫，用於構建程式語言實現，作為自修改（self-modifying）抽象語法樹的解釋器。有了這個特性，您現在可以在Java程式碼庫中編寫和執行例如JavaScript程式碼。

此外，GraalVM提供了以下功能，可以提前將程式編譯成本機可執行文件：

GraalVM允許您提前將程式編譯為本地可執行文件。生成的程式不能在Java HotSpot VM上運行，而是使用必要的組件，例如記憶體管理，來自另一種虛擬機實現的執行緒調度（稱為Substrate VM）。SubstrateVM用Java編寫，然後編譯進本地可執行文件。與Java VM相比，生成的程式具有更快的啟動時間和更低的運行時記憶體開銷。

//www.graalvm.org/docs/reference-manual/aot-compilation/

使用GraalVM編譯並運行第一個Java程式

撰寫本文時，GraalVM有兩個版本：社區版（CE）和企業版（EE），僅適用於Mac OS X和Linux。要在開發過程中在Windows上使用GraalVM，您可以使用Oracle的官方Docker映像，以下示例中使用了該映像。

想像下面的簡單HelloWorld類：

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

在GraalVM和Java 9的AOT編譯器之前，您執行了如下程式碼：

$ javac HelloWorld.java
$ java HelloWorld
Hello World!

藉助GraalVM，您現在可以選擇使用現有方式（HotSpot JVM）運行應用程式，或者使用GraalVM AOT編譯器創建本機映像並運行可執行文件：

$ javac HelloWorld
$ native-image HelloWorld
$ ./helloworld
HelloWorld!

在這個HelloWorld示例中，改進的性能是微不足道的，但是在更大和更現實的應用程式中，性能的改進是顯著的。

在官方的GraalVM入門指南中可以找到一個簡單的多語言應用程式示例：

import java.io.*;
import java.util.stream.*;
import org.graalvm.polyglot.*;
 
public class PrettyPrintJSON {
  public static void main(String[] args) throws java.io.IOException {
      BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
      String input = reader.lines().collect(Collectors.joining(System.lineSeparator()));
      try (Context context = Context.create("js")) {
        Value parse = context.eval("js", "JSON.parse");
        Value stringify = context.eval("js", "JSON.stringify");
        Value result = stringify.execute(parse.execute(input));
        System.out.println(result.asString());
      }
    }
}

這個Java類負責漂亮地列印JSON，使用JavaScript方法JSON.parse() 和JSON.stringify() 。此類的本機鏡像可通過如下方式構建：

$ javac PrettyPrintJSON.java
$ native-image --language:js PrettyPrintJSON
$ ./prettyprintjson < prettyMe.json
{
  "GraalVM": {
    "description": "Language Abstraction Platform",
    "supports": [
      "combining languages",
      "embedding languages",
      "creating native images"
    ],
    "languages": [
      "Java",
      "JavaScript",
      "Node.js",
      "Python",
      "Ruby",
      "R",
      "LLVM"
    ]
  }
}

現在可以測量運行本機映像和在HotSpot中運行應用程式之間的性能差異：

$ time bin/java PrettyPrintJSON < prettyMe.json > /dev/null
real    0m1.101s
user    0m2.471s
sys 0m0.237s
 
$ time ./prettyprintjson < prettyMe.json > /dev/null
real    0m0.037s
user    0m0.015s
sys 0m0.016s

在我看來，Oracle和GraalVM在Java作為程式語言的主導地位方面做得非常好。此外，這一舉措提高了Java語言本身的可持續性和特性開發。有了多語言體系結構，這也增加了其他程式語言的採用。

您可以在我的GitHub存儲庫中找到示例，然後直接在GraalVM上（Mac和Linux）或在Windows上的Docker上（確保為Docker提供至少6 GB的RAM和2-4個內核）進行嘗試。

原文地址：//rieckpil.de/whatis-graalvm/

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