?大家好，我是風(fēng)箏。 今天說(shuō)一說(shuō) GraalVM。

GraalVM 是 Oracle 大力發(fā)展和想要推廣的新一代 JVM ，目前很多框架都已經(jīng)漸漸支持 GraalVM 了，比如我們?cè)谟玫?Spring 也已經(jīng)推出了對(duì) GraalVM 兼容的工具包了。

既然說(shuō)的這么厲害，那么它到底是何方神圣呢。

GraalVM 和 JVM 的關(guān)系

既然叫做VM，那肯定和 JVM 有關(guān)系的吧。JVM 全稱(chēng) Java 虛擬機(jī)，我們都知道，Java 程序是運(yùn)行在虛擬機(jī)上的，虛擬機(jī)提供 Java 運(yùn)行時(shí)，支持解釋執(zhí)行和部分的（JIT）即時(shí)編譯器，并且負(fù)責(zé)分配和管理 Java 運(yùn)行所需的內(nèi)存，我們所說(shuō)的各種垃圾收集器都工作在 JVM 中。

比如 Oracle JDK、OpenJDK ，默認(rèn)的 JVM 是 HotSpot 虛擬機(jī)，這是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一個(gè)虛擬機(jī)。我們平時(shí)見(jiàn)到的各種將虛擬機(jī)的書(shū)籍、文章、面試題，基本上都是說(shuō)的 HotSpot 虛擬機(jī)。

除此之外，還有一些商用，或者說(shuō)小眾的虛擬機(jī)存在，比如IBM 的J9 JVM，商用的 Zing VM 等。

那 GraalVM 是另一種 Java 虛擬機(jī)嗎？

是，又不全是。

GraalVM 可以完全取代上面提到的那幾種虛擬機(jī)，比如 HotSpot。把你之前運(yùn)行在 HotSpot 上的代碼直接平移到 GraalVM 上，不用做任何的改變，甚至都感知不到，項(xiàng)目可以完美的運(yùn)行。

但是 GraalVM 還有更廣泛的用途，不僅支持 Java 語(yǔ)言，還支持其他語(yǔ)言。這些其他語(yǔ)言不僅包括嫡系的 JVM 系語(yǔ)言，例如 Kotlin、Scala，還包括例如 JavaScript、Nodejs、Ruby、Python 等。

GraalVM 的野心不止于此，看上面的圖，它的目的是搭建一個(gè) Framework，最終的目標(biāo)是想要支持任何一種語(yǔ)言，無(wú)論哪種語(yǔ)言，可以共同跑在 GraalVM 上，不存在跨語(yǔ)言調(diào)用的壁壘。

GraalVM 和JDK有什么關(guān)系

Java 虛擬機(jī)都是內(nèi)置在 JDK 中的，比如Orcale JDK、OpenJDK，默認(rèn)內(nèi)置的都是 HotSpot 虛擬機(jī)。

GraalVM 也是一種 JDK，一種高性能的 JDK。完全可以用它替代 OpenJDK、Orcale JDK。

GraalVM 如何運(yùn)行 Java 程序

說(shuō)了半天，是不是還是不知道 GraalVM 到底是什么。

• GraalVM - 還包含 Graal （JIT）即時(shí)編譯器，可以結(jié)合 HotSpot 使用
• GraalVM – 是一種高性能 JDK，旨在加速 Java 應(yīng)用程序性能，同時(shí)消耗更少的資源。
• GraalVM - 是一種支持多語(yǔ)言混編的虛擬機(jī)程序，不僅可以運(yùn)行 JVM 系列的語(yǔ)言，也可支持其他語(yǔ)言。

GraalVM 提供了兩種方式來(lái)運(yùn)行 Java 程序。

第一種：結(jié)合 HotSpot 使用

上面說(shuō)了，GraalVM 包含 Graal （JIT）即時(shí)編譯器，自從 JDK 9u 版本之后，Orcale JDK 和 OpenJDK 就集成了 Graal 即時(shí)編譯器。我們知道 Java 既有解釋運(yùn)行也有即時(shí)編譯。

當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，解釋器首先發(fā)揮作用，代碼可以直接執(zhí)行。隨著時(shí)間推移，即時(shí)編譯器逐漸發(fā)揮作用，把越來(lái)越多的代碼編譯優(yōu)化成本地代碼，來(lái)獲取更高的執(zhí)行效率。即時(shí)編譯器可以選擇性地編譯熱點(diǎn)代碼，省去了很多編譯時(shí)間，也節(jié)省很多的空間。比如多次執(zhí)行的方法或者循環(huán)、遞歸等。

JDK 默認(rèn)使用的是 C2 即時(shí)編譯器，C2是用C++編寫(xiě)的。而使用下面的參數(shù)可以用 Graal 替換 C2。

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler

Graal 編譯器是用 Java 實(shí)現(xiàn)的，用 Java 實(shí)現(xiàn)自己的編譯器。Graal 基于一些假設(shè)的條件，采取更加激進(jìn)的方式進(jìn)行優(yōu)化。采用 Graal 編譯器之后，對(duì)性能有會(huì)有一定的提升。

但是如果你還是在用 JDK8，那對(duì)不起了，GraalVM 的一切都用不了。

第二種：AOT 編譯本地可執(zhí)行程序

這是 GraalVM 真正厲害的地方。

AOT 提前編譯，是相對(duì)于即時(shí)編譯而言的。AOT在運(yùn)行過(guò)程中耗費(fèi) CPU 資源來(lái)進(jìn)行即時(shí)編譯，而程序也能夠在啟動(dòng)的瞬間就達(dá)到理想的性能。例如 C 和 C++語(yǔ)言采用的是AOT靜態(tài)編譯，直接將代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。而 Java 一直采用的是解釋 + 即時(shí)編譯技術(shù)，大多數(shù)情況下 Java 即時(shí)編譯的性能并不比靜態(tài)編譯差，但是還是一直朝著 AOT 編譯的方向努力。

但是 Java 對(duì)于 AOT 來(lái)說(shuō)有一些難點(diǎn)，比如類(lèi)的動(dòng)態(tài)加載和反射調(diào)用。

GraalVM 顯然是已經(jīng)克服了這些問(wèn)題，使用 GraalVM 可以直接將 Java 代碼編譯成本地機(jī)器碼形態(tài)的可執(zhí)行程序。

我們目前運(yùn)行 Java 一定要安裝 JDK 或者 JRE 對(duì)不對(duì)，如果將程序直接編譯成可執(zhí)行程序，就不用在服務(wù)器上安裝 JDK 或 JRE 了。那就是說(shuō)運(yùn)行 Java 代碼其實(shí)也可以不用虛擬機(jī)了是嗎？

GraalVM 的 AOT 編譯實(shí)際上是借助了 SubstrateVM 編譯框架，可以將 SubstrateVM  理解為一個(gè)內(nèi)嵌精簡(jiǎn)版的 JVM，包含異常處理，同步，線程管理，內(nèi)存管理（垃圾回收）和 JNI 等組件。

SubstrateVM 的啟動(dòng)時(shí)間非常短，內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)非常少。用這種方式編譯出的 Java 程序的執(zhí)行時(shí)間可與C語(yǔ)言持平。

下圖是使用即時(shí)編譯（JVM運(yùn)行）與 AOT (原生可執(zhí)行程序)兩種方式的 CPU 和內(nèi)存使用情況對(duì)比，可以看出來(lái)，AOT 方式下 CPU 和內(nèi)存的使用都非常少。

除了運(yùn)行時(shí)占用的內(nèi)存少之外，用這種方式最終生成的可執(zhí)行文件也非常小。這對(duì)于云端部署非常友好。目前很多場(chǎng)景下都使用 Docker 容器的方式部署，打一個(gè) Java 程序的鏡像包要包含完整的 JVM 環(huán)境和編譯好的 Jar 包。而AOT 方式可以最大限度的縮小 Docker 鏡像的體積。

缺點(diǎn)

好處多多，當(dāng)然也有一些弊端。對(duì)于反射這種純粹在運(yùn)行時(shí)才能確定的部分，不可能完全通過(guò)優(yōu)化編譯器解決，只能通過(guò)增加配置的方式解決。麻煩是麻煩了一點(diǎn)，但是是可行的，Spring Boot 2.7的版本已經(jīng)支持原生鏡像了，Spring 這種非常依賴(lài)反射的框架都可以支撐，我們用起來(lái)也應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。

GraalVM 如何支持多語(yǔ)言

要支持多語(yǔ)言，就要說(shuō)到 GraalVM 中的另一個(gè)核心組件 Truffle 了。

Truffle 是一個(gè)用 Java 寫(xiě)就的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)框架。基于 Truffle 的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)僅需用 Java 實(shí)現(xiàn)詞法分析、語(yǔ)法分析以及針對(duì)語(yǔ)法分析所生成的抽象語(yǔ)法樹(shù)（Abstract Syntax Tree，AST）的解釋執(zhí)行器，便可以享用由 Truffle 提供的各項(xiàng)運(yùn)行時(shí)優(yōu)化。

就一個(gè)完整的 Truffle 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)而言，由于實(shí)現(xiàn)本身以及其所依賴(lài)的 Truffle 框架部分都是用 Java 實(shí)現(xiàn)的，因此它可以運(yùn)行在任何 Java 虛擬機(jī)之上。

當(dāng)然，如果 Truffle 運(yùn)行在附帶了 Graal 編譯器的 Java 虛擬機(jī)之上，那么它將調(diào)用 Graal 編譯器所提供的 API，主動(dòng)觸發(fā)對(duì) Truffle 語(yǔ)言的即時(shí)編譯，將對(duì) AST 的解釋執(zhí)行轉(zhuǎn)換為執(zhí)行即時(shí)編譯后的機(jī)器碼。

目前除了 Java， JavaScript、Ruby、Python 和許多其他流行語(yǔ)言都已經(jīng)可以運(yùn)行在 GraalVM 之上了。

GraalVM 官方還提供了完整的文檔，當(dāng)有一天你開(kāi)發(fā)了一款新的語(yǔ)言，也可以用 Truffle  讓它跑在 GraalVM 上。

安裝和使用

GraalVm 目前的最新版本是 22.3，分為社區(qū)版和企業(yè)版，就好像 OpenJDK 和 商用的 Orcale 的 JDK ，企業(yè)版會(huì)多一些性能分析的功能，用來(lái)幫助更大程度的優(yōu)化性能。

社區(qū)版是基于OpenJDK 11.0.17, 17.0.5, 19.0.1，而商業(yè)版基于Oracle JDK 8u351, 11.0.17, 17.0.5, 19.0.1，所以，如果你想用免費(fèi)的，只能將程序升級(jí)到 JDK 11 以上了。

GraalVM 支持 Windows、Linux、MacOS ，可以用命令安裝最新版，或者直接下載對(duì)應(yīng) Java 版本的。

我是下載的 Java 11 的版本，下載下來(lái)的壓縮包，直接解壓，然后配置環(huán)境變量。把解壓目錄配置到環(huán)境變量的 JAVA_HOME就可以了。

解壓好其實(shí)就相當(dāng)于安裝完畢了，查看一下版本。

進(jìn)入到解壓目錄下的bin?目錄中，運(yùn)行 java -version。運(yùn)行結(jié)果如下：

運(yùn)行代碼

常用方式運(yùn)行

也就是我們平時(shí)一直在用的這種方式，把 GrralVM 當(dāng)做 OpenJDK 使用，只不過(guò)把即時(shí)編譯器換成了 Graal 。就是前面說(shuō)的第一種方式。

安裝完成后，就可以把它當(dāng)做正常的 JDK 使用了，比如 javac、jps、jmap等都可以直接用了。大多數(shù)人還是用 IDEA 的，所以就直接在 IDEA 中使用就好了。

1、先隨意創(chuàng)建一個(gè) Java 項(xiàng)目。

2、創(chuàng)建完成后，打開(kāi)項(xiàng)目設(shè)置。

3、在打開(kāi)的項(xiàng)目設(shè)置彈出框中選擇 SDKs，點(diǎn)擊加號(hào)，選擇前面解壓的 GraalVM 目錄。

4、然后選擇剛剛添加的這個(gè) JDK。

5、最后運(yùn)行一段測(cè)試代碼。

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("Hello GraalVM!");
        Thread.sleep(1000 * 100 * 100);
    }
}

上面這樣的運(yùn)行方式，其實(shí)就相當(dāng)于前面說(shuō)的第一種運(yùn)行方式

native-image 方式運(yùn)行

這種方式就是 AOT 編譯成機(jī)器碼，已可執(zhí)行文件的形式出現(xiàn)。native-image 可以命令行的形式執(zhí)行，也可以在配合 Maven 執(zhí)行，我這兒就直接演示用 Maven 形式的了，畢竟IDEA 搭配 Maven 用習(xí)慣了。

1、安裝native-image 工具包

native-image 是用來(lái)進(jìn)行 AOT 編譯打包的工具，先把這個(gè)裝上，才能進(jìn)行后面的步驟。

安裝好 GraalVM 后，在 bin?目錄下有一個(gè)叫做 gu?的工具，用這個(gè)工具安裝，如果將 bin目錄添加到環(huán)境中，直接下面的命令安裝就行了。

gu install native-image

如果沒(méi)有將 bin?目錄加到環(huán)境變量中，要進(jìn)入到 bin目錄下，執(zhí)行下面的命令安裝。

./gu install native-image

這個(gè)過(guò)程可能比較慢，因?yàn)橐?github 上下載東西，如果一次沒(méi)成功（比如超時(shí)），多試兩次就好了。

2、配置 Maven

配置各種版本

 <properties>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
    <maven.compiler.source>${java.specification.version}  </maven.compiler.source>
    <maven.compiler.target>${java.specification.version}</maven.compiler.target>
    <native.maven.plugin.version>0.9.12</native.maven.plugin.version>
    <imageName>graalvm-demo-image</imageName>
    <mainClass>org.graalvm.HelloWorld</mainClass>
  </properties>

native.maven.plugin.version是要用到的編譯為可執(zhí)行程序的 Maven 插件版本。

imageName是生成的可執(zhí)行程序的名稱(chēng)。

mainClass是入口類(lèi)全名稱(chēng)。

配置 build 插件

  <build>
    <plugins>
      <plugin>
        <groupId>org.codehaus.mojo</groupId>
        <artifactId>exec-maven-plugin</artifactId>
        <version>3.0.0</version>
        <executions>
          <execution>
            <id>java-agent</id>
            <goals>
              <goal>exec</goal>
            </goals>
            <configuration>
              <executable>java</executable>
              <workingDirectory>${project.build.directory}</workingDirectory>
              <arguments>
                <argument>-classpath</argument>
                <classpath/>
                <argument>${mainClass}</argument>
              </arguments>
            </configuration>
          </execution>
          <execution>
            <id>native</id>
            <goals>
              <goal>exec</goal>
            </goals>
            <configuration>
              <executable>${project.build.directory}/${imageName}</executable>
              <workingDirectory>${project.build.directory}</workingDirectory>
            </configuration>
          </execution>
        </executions>
      </plugin>
      <plugin>
        <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
        <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
        <version>3.8.1</version>
        <configuration>
          <source>${maven.compiler.source}</source>
          <target>${maven.compiler.source}</target>
        </configuration>
      </plugin>

      <plugin>
        <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
        <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
        <version>3.2.2</version>
        <configuration>
          <archive>
            <manifest>
              <addClasspath>true</addClasspath>
              <mainClass>${mainClass}</mainClass>
            </manifest>
          </archive>
        </configuration>
      </plugin>

      <plugin>
        <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
        <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
        <executions>
          <execution>
            <phase>package</phase>
            <goals>
              <goal>single</goal>
            </goals>
          </execution>
        </executions>
        <configuration>
          <archive>
            <manifest>
              <addClasspath>true</addClasspath>
              <mainClass>${mainClass}</mainClass>
            </manifest>
          </archive>
          <descriptorRefs>
            <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
          </descriptorRefs>
        </configuration>
      </plugin>

    </plugins>

  </build>

配置 profiles

  <profiles>
    <profile>
      <id>native</id>
      <build>
        <plugins>
          <plugin>
            <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
            <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
            <version>${native.maven.plugin.version}</version>
            <extensions>true</extensions>
            <executions>
              <execution>
                <id>build-native</id>
                <goals>
                  <goal>build</goal>
                </goals>
                <phase>package</phase>
              </execution>
              <execution>
                <id>test-native</id>
                <goals>
                  <goal>test</goal>
                </goals>
                <phase>test</phase>
              </execution>
            </executions>
            <configuration>
              <fallback>false</fallback>
              <buildArgs>
                <arg>-H:DashboardDump=fortune -H:+DashboardAll</arg>
              </buildArgs>
              <agent>
                <enabled>true</enabled>
                <options>
                  <option>experimental-class-loader-support</option>
                </options>
              </agent>
            </configuration>
          </plugin>
        </plugins>
      </build>
    </profile>
  </profiles>

3、使用 maven 編譯，打包成本地可執(zhí)行程序。

執(zhí)行 Maven 命令

mvn clean package

或者

mvn  -Pnative -Dagent package 

編譯打包的過(guò)程比較慢，因?yàn)橐苯泳幾g成機(jī)器碼，所以比一般的編譯過(guò)程要慢一些。看到下面的輸入日志，說(shuō)明打包成功了。

4、運(yùn)行可執(zhí)行程序包，打開(kāi) target 目錄，已經(jīng)看到了graalvm-demo-image可執(zhí)行程序包了，大小為 11.58M。

然后就可以運(yùn)行它了，進(jìn)入到目錄下，執(zhí)行下面的命令運(yùn)行，可以看到正常輸出了。注意了，這時(shí)候已經(jīng)是沒(méi)有用到本地 JVM 了。

./graalvm-demo-image 
Hello GraalVM!

這時(shí)候，用 jps -l?命令已經(jīng)看不到這個(gè)進(jìn)程了，只能通過(guò) ps看了。

總結(jié)

雖然我們還沒(méi)有看到有哪個(gè)公司說(shuō)在用 GraalVM 了，但是 Quarkus、Spring Boot、Spring等很多的框架都已經(jīng)支持 GraalVM 的 Native-image 模式，而且在 Orcale 的大力推廣下，相信不久之后就會(huì)出現(xiàn)在更多的產(chǎn)品中。趕緊體驗(yàn)一下吧。