Spring Native Beta 正式发布,干掉原生 JVM!

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3月11日,Spring 团队发布了 Spring Native Beta 版。通过 Spring Native,Spring 应用将有机会与 GraalVM 原生镜像的方式运行。为了更好地支持原生运行,Spring Native 提供了 Maven 和 Gradle 插件,并且提供了优化原生配置的注解。

Spring 发布了 Spring Native 的 beta 版本,并在start.spring.io上运行它。

实际上,这意味着自Spring成立以来,除了Spring支持的常规Java虚拟机之外,还将添加Beta支持,以使用GraalVM将Spring应用程序编译到本机映像中,从而提供一种部署Spring应用程序的新方法。支持Java和Kotlin。

这些本机Spring应用程序可以部署为独立的可执行文件(无需安装JVM),并提供有趣的特性,包括几乎即时启动(通常<100ms),即时峰值性能和较低的内存消耗,但所需的构建时间和运行时优化次数少于JVM。

使用简单mvn spring-boot:build-imagegradle bootBuildImage命令,您可以生成一个优化的容器映像,该映像将包含一个最小的OS层和一个小的本机可执行文件,该映像仅随附JDK,Spring以及您在应用程序中使用的依赖项中的必需位。请参阅下面的示例,其中包含50MB可执行文件的最小容器映像,其中包含Spring Boot,Spring MVC,Jackson,Tomcat,JDK和应用程序。

这种原生方式,在很多场景下都会对 Spring 应用产生价值:

  • 使用 Spring Cloud Function 的 Serverless 应用

  • 更廉价、更可持续地托管 Spring 微服务

  • 与VMware Tanzu这样的 Kubernetes 平台有很好的契合性

  • 想要最优的容器镜像,以打包 Spring 应用和服务

在使用场景上,比如 Piotr Mińkowski 提供了一个非常棒的指南,介绍了如何在Knative上使用 Spring Boot 和 GraalVM 构建原生微服务。

团队协作

Spring Native beta 是整个 Spring 团队及其家族项目广泛合作的结果:Spring Framework、Spring Boot 还包括 Spring Data、Spring Security、Spring Cloud 和 Spring Initializr。

据悉,原生功能的工作范围比 Spring 更广,因为原生涉及到更广泛的 JVM 生态系统,所以官方一直在与 GraalVM 团队合作,以改善原生镜像的兼容性和资源消耗。

以下是来自 GraalVM 团队的 Vojin Jovanovic 的一段话。

“与 Spring 团队协作打造原生 JVM 生态系统是一件非常愉快的事情:他们深厚的技术知识,再加上对社区的敏感触觉,总是能带来最好的解决方案。最新的 Spring Native 版本,以及它在 JVM 生态系统中的众多用法,为原生编译的广泛采用铺平了道路。”

支持的范围

现在,Spring Native 已经从 alpha 版本毕业成为 beta,那么很重要的一点就是明确它所支持的功能范围。

Alpha 版本是第一步,实验了很多东西,并且基于一组样例改善了 Spring Native(之前叫做 Spring GraalVM Native)的架构、兼容性和资源消耗,其中有很多破坏性的变更。官方还报告了很多问题,这些问题 GraalVM 团队已经解决,从而减少 JVM 和 Spring 应用的原生镜像之间的差距。

虽然它依然被认为是实验性的,但 beta 版意味着 Spring 现在在 Spring 生态系统的一个子集上提供了对原生的支持。如果你的应用正在使用业已支持的依赖,那么你可以试用它,在出现问题时可以提 bug 或贡献 pull request。在最新的 Spring Boot 2.x 小版本的每个补丁发布时,都会有一个新的 Spring Native 版本。Spring Native 0.9.0 支持 Spring Boot 2.4.3,Spring Native 0.9.1 将支持 Spring Boot 2.4.4 等。

Start.spring.io

Stéphane Nicoll 在对start.spring.io和相关 IDE 的集成中,引入了对 Spring Native 的支持,所以现在这是探索如何使用 Spring 构建原生应用最简单的方式。

添加 Spring Native 依赖后将会使用所需的依赖和插件自动配置 Maven 或 Gradle 项目,以便于支持原生。应用代码本身没有变化。

请检查自动生成的HELP.md文件,该文件包含了有用的链接和文档,同时它还能标记出来你是否选择了一些在原生环境下不支持的依赖。

预先转换

原生与 JVM 有所不同:类路径在构建时是固定的,反射或资源需要进行配置,这里没有类的懒加载(可执行文件中包含的所有内容在启动的时候都会加载进来)并且有些代码可以在构建期调用。

为了充分拥抱这些特性,并且能让 Spring 应用以最大的兼容性和最小的资源消耗运行在原生环境中,Brian Clozel 在这个版本中引入了 Spring 预先(ahead-of-time,AOT)转换的 Maven 和 Gradle 插件,这个插件会对 Spring 应用执行预先转换。

第一种转换的目的是生成 GraalVM 原生配置(反射、资源、代理、原生镜像选项),这是通过由 Andy Clement 设计和实现的一个特别棒的推断引擎做到的,该引擎能够理解 Spring 编程模型和基础设施。例如,每个带有 @Controller 注解的类,都会在生成的 reflect-config.json 文件中添加一个条目。

有些原生配置是无法推断的,对于这些情况,Spring Native 引入了原生线索(native hint)注解(参见 Javadoc 以了解详情),这些注解允许 Spring Native 支持原生配置,这种方式比常规的基于 JSON 的原生镜像配置更加可维护、类型安全和灵活。例如,Spring Native 对 MySQL 驱动支持就提供了线索注解,它们会在原生镜像配置reflect-config.jsonresource-config.jsonnative-image.properties中生成正确的条目,如下所示:

@NativeHint(
    trigger = Driver.class,
    options = "--enable-all-security-services",
    types = @TypeHint(types = {
       FailoverConnectionUrl.class,
       FailoverDnsSrvConnectionUrl.class,
// ...
    }), resources = {
@ResourceHint(patterns = "com/mysql/cj/TlsSettings.properties"),
@ResourceHint(patterns = "com.mysql.cj.LocalizedErrorMessages",
                      isBundle = true)
})
public class MySqlHints implements NativeConfiguration {}

NativeConfiguration 和其他的动态配置机制允许实现更加强大和动态化的配置生成,但是需要注意它们的 API 在未来的版本中可能会有很大变化。

Spring 开发人员也可以直接在 @Configuration 或 @SpringBootApplication 类上添加应用特定的原生线索注解,例如,对于使用RestTemplateWebClient这样的编程 API 序列化一个Book类为 JSON

@TypeHint(types = Book.class)
@SpringBootApplication
public class WebClientApplication {
// ...
}

在使用预先转换系统时,最后一个,可能也是最强大的一个机制就是根据 Spring Boot 部署模型和 GraalVM 原生镜像特征所引入的封闭世界(closed-world)假设,它能够自动生成针对原生环境进行优化的代码。这里的目标就是限制所需的外部原生配置的数量,从而提高兼容性,这是通过原生镜像编译器对代码结构的分析实现的,同时还能通过减少反射、资源或代理所需的配置,降低资源占用。一个具体的例子就是对各种spring.factory(Spring Boot 背后的扩展机制)的预先转换,从而实现一个优化过的程序版本,该版本不需要反射并且会过滤掉应用上下文中不必要的条目。

结论

在支持原生方面,Spring 有两个支柱性的策略。

  • 第一个是在不需要对现有的数百万个 Spring Boot 应用进行重大改动的情况下,对 Spring 基础架构进行调整以适应原生。这包括在 Spring 顶层项目中为实现原生友好而做出的改变,像 @NativeHint 这样的基础架构,以及在 Spring Native 中逐渐成熟的 Spring AOT 构建插件。
  • 第二个支柱比 Spring 本身的范围更广,原生是一个与 JVM 特性有所差异的平台,但 Java 生态系统需要尽可能地保持一致,以避免出现两种截然不同的 Java 风格,如果这样的话,将会是维护上的一个挑战。

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