尝试 Spring Native，将一个 SpringBoot3 项目编译为二进制文件，提升程序启动速度

相关链接：

GraalVM

GraalVM Native Image Support

使用版本：

GraalVM: graalvm-jdk-17.0.8+9.1

spring-boot: 3.1.4

native-maven-plugin: 0.9.27

注意：此文章于 2023-10-19 完成，可能已经过时

Native Image 的优缺点

优点：

  • 程序启动时间段
  • 运行时使用内存少
  • 运行环境不需要安装 jvm

缺点：

  • 编译时间长
  • 部分依赖不支持（或需要进行特殊配置）
  • 需要生成提示文件来支持反射等功能
  • 生成的二进制文件较大

GraalVM

在下载页面，选择对应的 Java 版本和平台，下载对应的 GraalVM（这里以 Java 17 与 Windows 平台为例）

Download Oracle GraalVM

下载后，自行解压、配置环境变量JAVA_HOME，将$JAVA_HOME/bin加到PATH中

项目

创建项目

选择 JDK 为 graalvm

New Project

选择 GraalVM Native Support，创建项目（会添加native-maven-plugin到pom.xml）

这里我额外选择了 Spring Web 和 Lombok，来写一个接口用于测试

GraalVM Native Support

编写代码（用于测试）

修改 NativeDemoApplication，编写测试接口

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@RestController
@SpringBootApplication
public class NativeDemoApplication {
    
    @GetMapping
    public String hello() {
        return "Hello World!";
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(NativeDemoApplication.class, args);
    }
    
}

直接运行程序后，请求接口正常，接下来将项目编译为二进制文件

编译环境

Linux

以 Debian 为例，执行下面的命令安装所需的包（一般服务器中都有），其他发行版可参考文档

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sudo apt-get install build-essential zlib1g-dev

Windows

在 Windows 上进行编译，需要额外安装 Visual Studio（至少 Visual Studio 2022），并配置相关环境变量，详细操作可参考 Using GraalVM and Native Image on Windows

另外需在 VS 附带的x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022窗口中执行编译命令（貌似是因为编译命令过长，在 powershell 或 cmd 中执行会出现问题）

Visual Studio

自行从官网下载安装，安装时注意，语言包只勾选英语，否则会导致编译时检查环境出错

only english

接下来配置环境变量，以下配置以 VS 安装在D:\opt为例，需替换为自己 VS 安装路径，注意版本号可能不同

  • Path

    添加下列内容

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    D:\opt\Microsoft Visual Studio\2022\Enterprise\VC\Tools\MSVC\14.35.32215\bin\Hostx64\x64

  • INCLUDE

    新增此环境变量，内容如下

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    D:\opt\Microsoft Visual Studio\2022\Enterprise\VC\Tools\MSVC\14.35.32215\include
D:\Windows Kits\10\Include\10.0.22000.0\shared
D:\Windows Kits\10\Include\10.0.22000.0\ucrt
D:\Windows Kits\10\Include\10.0.22000.0\um
D:\Windows Kits\10\Include\10.0.22000.0\winrt

  • LIB

    新增此环境变量，内容如下

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    D:\opt\Microsoft Visual Studio\2022\Enterprise\VC\Tools\MSVC\14.35.32215\lib\x64
D:\Windows Kits\10\Lib\10.0.22000.0\um\x64
D:\Windows Kits\10\Lib\10.0.22000.0\ucrt\x64

命令行窗口

执行编译命令，需在x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022窗口中进行（可通过Win+S搜索打开）

x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022

编译

编译耗时较长，同时需要较高内存，建议在性能好的机器上进行

cd 到项目目录中，执行下面的命令进行编译，会由 GraalVM 的 Maven 插件org.graalvm.buildtools.native-maven-plugin来执行若干处理，并调用native-image进行编译

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mvn -Pnative native:compile

等待编译完成，在生成的 target 目录下，可以找到native-demo.exe（Windows）或native-demo（Linux）可执行文件

执行可执行文件后，请求测试接口，功能正常

编译参数

可在pom.xml中追加native-image编译时的参数，如：

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<plugin>
    <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
    <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <buildArgs combine.children="append">
            <buildArg>--enable-url-protocols=http</buildArg>
            <buildArg>--features=xxx.xxx.LambdaRegistrationFeature</buildArg>
            <buildArg>-H:+AllowDeprecatedBuilderClassesOnImageClasspath</buildArg>
            <buildArg>-H:DeadlockWatchdogInterval=10</buildArg>
            <buildArg>-H:-DeadlockWatchdogExitOnTimeout</buildArg>
            <buildArg>-H:+AddAllCharsets</buildArg>
            <buildArg>-H:IncludeResourceBundles=javax.xml.bind.helpers.Messages</buildArg>
        </buildArgs>
    </configuration>
</plugin>

  • --enable-url-protocols=http

    允许程序使用http协议的 URL

  • --features=xxx.xxx.LambdaRegistrationFeature

    见 mybatis-plus

  • -H:+AllowDeprecatedBuilderClassesOnImageClasspath

  • -H:DeadlockWatchdogInterval=10

  • -H:-DeadlockWatchdogExitOnTimeout

    根据报错提示加入

  • -H:+AddAllCharsets

    添加对所有字符集的支持

  • -H:IncludeResourceBundles=javax.xml.bind.helpers.Messages

    包含javax.xml.bind.helpers.Messages资源包

依赖问题

mybatis-plus

参考 mybatis-native-demo 项目

pom.xml中需添加graal-sdk依赖，版本号与之前下载的 GraalVM 一致

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<!-- graalvm -->
<dependency>
    <groupId>org.graalvm.sdk</groupId>
    <artifactId>graal-sdk</artifactId>
    <version>23.0.1</version>
</dependency>

从 mybatis-native-demo 项目中复制 MyBatisNativeConfiguration 类，在其registerHints方法中添加下面的代码，将各mapper.xml文件注册进提示文件，其中mapper/**/*.xml是各mapper.xml文件的位置

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Stream.of("mapper/**/*.xml").forEach(hints.resources()::registerPattern);

从 mybatis-native-demo 项目中复制下面的三个类

  • GraalReflectionAotHints 注解，在使用了 mybatis-plus lambda 方法的类上标记
  • AotUtils 获取所有标记了GraalReflectionAotHints注解的类
  • LambdaRegistrationFeature 将AotUtils获取的所有类调用RuntimeSerialization::registerLambdaCapturingClass方法注册进去

使用GraalReflectionAotHints注解标记需要注册的类

给native-maven-plugin添加下面的 buildArg

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<buildArg>--features=xxx.xxx.LambdaRegistrationFeature</buildArg>

ShardingSphere-jdbc

修改配置文件的分表规则写法(native-image 不支持 Groovy)：

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actualDataNodes: ds0.t_test_$->{0..1}
# 改写为
actualDataNodes: <LITERAL>ds0.t_test_0, ds0.t_test_1

fastjson

使用类似于JSON.to(clazz, obj)的方法会产生报错org.graalvm.nativeimage.MissingReflectionRegistrationError

需要自行将对应的 clazz 添加到提示文件中，可以使用 custom hints 中提到的@RegisterReflectionForBinding注解，在任意位置（使用到对应 clazz 的方法/类，自己编写的配置类，XXXApplication 等都可以）添加该注解，在注解参数中填入需要注册的 clazz 即可，如：

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import org.springframework.aot.hint.annotation.RegisterReflectionForBinding;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@RegisterReflectionForBinding({
        Foo.class,
        Bar.class
})
public class NativeConfiguration {
}

提示文件

部分涉及到反射的依赖或程序代码，可以通过生成提示文件的方法来解决

相关链接：

Reachability Metadata

Collect Metadata with the Tracing Agent

aot

Using the Tracing Agent

Custom Hints

在src/main/resources/META-INF/native-image/目录下的提示文件会在编译时被使用，提示文件的类型和作用参考 Metadata Types

生成提示文件的方法主要有以下两种：

  • 自定义提示
  • Tracing Agent

自定义提示

aot

Runtime Hints

Spring Native 在编译之前会对 jar 包进行 aot 处理，在META-INF/native-image/<group.id>/<artifact.id>目录生成提示文件

可以自定义一个实现RuntimeHintsRegistrar接口的类来注册需要加入提示文件的内容

RuntimeHints类的写法如下，需要在Bean上使用@ImportRuntimeHints注解来导入：

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import java.lang.reflect.Method;

import org.springframework.aot.hint.ExecutableMode;
import org.springframework.aot.hint.RuntimeHints;
import org.springframework.aot.hint.RuntimeHintsRegistrar;
import org.springframework.util.ReflectionUtils;

public class MyRuntimeHints implements RuntimeHintsRegistrar {

    @Override
    public void registerHints(RuntimeHints hints, ClassLoader classLoader) {
        // Register method for reflection
        Method method = ReflectionUtils.findMethod(MyClass.class, "sayHello", String.class);
        hints.reflection().registerMethod(method, ExecutableMode.INVOKE);

        // Register resources
        hints.resources().registerPattern("my-resource.txt");

        // Register serialization
        hints.serialization().registerType(MySerializableClass.class);

        // Register proxy
        hints.proxies().registerJdkProxy(MyInterface.class);
    }

}

一般可以将 RuntimeHints 类的定义和导入写在一起，如：

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@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@ImportRuntimeHints(MyBatisNativeConfiguration.MyBaitsRuntimeHintsRegistrar.class)
public class MyBatisNativeConfiguration {
    
    static class MyBaitsRuntimeHintsRegistrar implements RuntimeHintsRegistrar {

        @Override
        public void registerHints(RuntimeHints hints, ClassLoader classLoader) {
            // ...
        }
    }
}

还可以直接使用@RegisterReflectionForBinding注解来绑定需要序列化和反序列化的类

此注解可以在任何 bean 的类或方法上使用，绑定参数中的类，使用方法如：

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@Component
public class OrderService {

    @RegisterReflectionForBinding(Account.class)
    public void process(Order order) {
        // ...
    }

}

或在一处绑定多个类：

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@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@RegisterReflectionForBinding({
    UserVO.class,
    OrderVO.class,
    UserDTO.class,
    OrderDTO.class,
})
public class MyReflectionBindingConfiguration {
}

Tracing Agent

Tracing Agent

将项目打成jar包之后，使用 graalvm 执行下面的命令来运行程序

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java -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=/path/output -jar xxx.jar

当程序停止后，会在/path/output目录生成提示文件，将文件放到项目的src/main/resources/META-INF/native-image/目录下即可

提示文件中会记录本次运行中用到的反射、序列化与反序列化、资源文件等内容，所以在程序运行时需要尽可能完整地使用每一处功能逻辑

如果一次运行还不够的话，可以使用下面的命令来继续生成提示文件（会在已有的提示文件基础上，继续增加新的内容）

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java -agentlib:native-image-agent=config-merge-dir=/path/output -jar xxx.jar