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【译】GraalVM—下一代JVM介绍

原标题:GraalVM – an introduction to the next level JVM

随着Red Hat宣布Quarkus作为…

为GraalVM和HotSpot量身定制的下一代Kubernetes原生Java框架,使用一流的Java库和标准构建

quarkus.io

Red Hat展示的Quarkus示例项目的启动速度和内存消耗给我留下了深刻的印象。令人印象深刻的主要原因之一是,代码是用GraalVM提前(ahead-of-time,AOT) 编译成本机映像(native image)的。为了帮助您更好地了解传统的HotSpot JVM和GraalVM之间的区别,我将在此博客文章中向您介绍GraalVM及其功能和历史。

TL; DR: GraalVM是Oracle开发的用纯Java编写的JVM扩展,支持多语言编程和提前编译。

HotSpot Java虚拟机的历史

多年来,HotSpot是Oracle维护和分发的主要Java虚拟机,用于运行Java程序。 Java HotSpot Performance Engine于1999年发布,最初由Animorphic开发,该公司被Sun Microsystems收购,现在由Oracle拥有。该虚拟机主要用C / C ++编写,并且变得越来越复杂(2007年估计有250.000行代码)。

HotSpot JVM的主要目的是运行Java字节码(.class文件)并持续分析程序的性能,以查找程序中经常执行的所谓热点,并即时(JIT,全称just-in-time)将其编译为本机代码(机器代码)以提高性能。这是在运行时完成的,而不是在Java程序执行之前执行的,因此是即时(just-in-time)的。

在HotSpot JVM中运行Java代码的工作流程如下所示(简化):

img

HotSpot虚拟机主要解释程序提供的Java字节码,但在程序运行过程中发现有适合优化的部分时,也会及时将这部分字节码编译为机器代码。

当使用JIT编译器编译一个方法时,当该方法被调用时,jvm将直接执行编译出来的机器码,而不是解释它以此来提高性能。由于编译本机代码需要CPU时间和内存,JVM必须在运行时决定编译哪些方法,因为将所有方法直接编译为本机代码会影响性能。

Java 9发行版中的更改

借助Java 9,特别是JEP 295,JDK获得了提前(ahead-of-time,AOT) 编译器jaotc。该编译器使用OpenJDK项目Graal进行后端代码生成,这样做的原因如下:

JIT编译器速度很快,但是Java程序可能非常庞大,以至于JIT完全预热需要很长时间。很少使用的Java方法可能根本不会被编译,由于重复的解释调用可能会导致性能下降

openjdk.java.net/jeps/295

Graal OpenJDK项目演示了用纯Java编写的编译器可以生成高度优化的代码。使用此AOT编译器和Java 9,您可以提前手动编译Java代码。这意味着在执行之前生成机器代码,而不是像JIT编译器那样在运行时生成代码,这是第一种实验性的方法。

# 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
复制代码

这将改善启动时间,因为JIT编译器不必拦截程序的执行。这种方法的主要缺点是生成的机器代码依赖于程序所在的平台(Linux,MacOS,windows...)。这可能导致AOT编译代码与特定平台绑定。

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GraalVM的架构

基于Graal编译器,Oracle开始开发GraalVM,不仅与HotSpots JVM的复杂C/C++代码库一起工作,而且还可以通过用Java编写的虚拟机解决当前的多语言迁移问题。

GraalVM的架构如下所示:

img

img

首先,您可能会注意到一些非JVM语言的存在。现在可以在这个通用虚拟机中运行Ruby、R或JavaScript代码。只是因为GraalVM采用了Truffle框架。Truffle是一个开源库,用于构建编程语言实现,作为自修改(self-modifying)抽象语法树的解释器。有了这个特性,您现在可以在Java代码库中编写和执行例如JavaScript代码。

此外,GraalVM提供了以下功能,可以提前将程序编译成本机可执行文件:

GraalVM允许您提前将程序编译为本地可执行文件。生成的程序不能在Java HotSpot VM上运行,而是使用必要的组件,例如内存管理,来自另一种虚拟机实现的线程调度(称为Substrate VM)。SubstrateVM用Java编写,然后编译进本地可执行文件。与Java VM相比,生成的程序具有更快的启动时间和更低的运行时内存开销。

www.graalvm.org/docs/refere…

使用GraalVM编译并运行第一个Java程序

撰写本文时,GraalVM有两个版本:社区版(CE)和企业版(EE),仅适用于Mac OS X和Linux。要在开发过程中在Windows上使用GraalVM,您可以使用Oracle的官方Docker映像,以下示例中使用了该映像。

想象下面的简单HelloWorld类:

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

在GraalVM和Java 9的AOT编译器之前,您执行了如下代码:

$ javac HelloWorld.java
$ java HelloWorld
Hello World!
复制代码

借助GraalVM,您现在可以选择使用现有方式(HotSpot JVM)运行应用程序,或者使用GraalVM AOT编译器创建本机映像并运行可执行文件:

$ javac HelloWorld
$ native-image HelloWorld
$ ./helloworld
HelloWorld!
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在这个HelloWorld示例中,改进的性能是微不足道的,但是在更大和更现实的应用程序中,性能的改进是显著的。

在官方的GraalVM入门指南中可以找到一个简单的多语言应用程序示例:

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());
      }
    }
}
复制代码

这个Java类负责漂亮地打印JSON,使用JavaScript方法JSON.parse() 和JSON.stringify() 。此类的本机镜像可通过如下方式构建:

$ 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"
    ]
  }
}
复制代码

现在可以测量运行本机映像和在HotSpot中运行应用程序之间的性能差异:

$ 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
复制代码

在我看来,Oracle和GraalVM在Java作为编程语言的主导地位方面做得非常好。此外,这一举措提高了Java语言本身的可持续性和特性开发。有了多语言体系结构,这也增加了其他编程语言的采用。

您可以在我的GitHub存储库中找到示例,然后直接在GraalVM上(Mac和Linux)或在Windows上的Docker上(确保为Docker提供至少6 GB的RAM和2-4个内核)进行尝试。

原文地址:rieckpil.de/whatis-graa…


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