Spring Boot 3的AOT（GraalVM Native Image）应用开发

Posted 2023-02-02 QiHY

GraalVM Native Images是一个利用AOT(Ahead-of-Time)技术把java程序直接编译成可执行程序的编译工具，编译出来的程序在运行时不再依赖JRE，同时启动速度快，资源消耗低，这对传统java程序来说都是极大的优势。同时云原生应用来说，GraalVM Native Images编译生成的程序体积很小，非常适合云原生环境，目前由于传统java程序生成的镜像中需要包含一个体积很大的JRE或JDK而经常被人诟病。
Spring Boot从3.0版本开始支持AOT技术。
具体的代码参照 示例项目 https://github.com/qihaiyan/spring-native

一、概述

Spring Boot 3.0 仍然支持传统的开发方式，既编译生成jar包，通过JRE来执行，在此基础上，通过调整编译方式，可以编译生成直接运行的可执行程序，Spring AOT与传统应用的区别包括：

1. 程序运行时动态调整的资源无法直接使用，例如反射、动态代理等，需要在代码中通过Hint为编译器指定
2. 应用的classpath在编译后就固定了，不能动态调整
3. 类不会延迟加载（lazy loading），应用启动时一次性加载完成
4. 部分java切面（AOP）技术不支持

二、项目中加入依赖

在项目的gradle中增加依赖关系。

Gradle:

plugins 
    id 'org.springframework.boot' version '3.0.0'
    id 'io.spring.dependency-management' version '1.1.0'
    id 'org.graalvm.buildtools.native' version '0.9.18'
    id 'java'


group = 'cn.springcamp'
version = '0.0.1-SNAPSHOT'
sourceCompatibility = '17'

configurations 
    compileOnly 
        extendsFrom annotationProcessor
    
    testCompileOnly 
        extendsFrom testAnnotationProcessor
    


repositories 
    mavenCentral()


dependencies 
    implementation 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-web'
    implementation 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-data-jpa'
    implementation 'com.h2database:h2'
    annotationProcessor 'org.projectlombok:lombok'
    testAnnotationProcessor 'org.projectlombok:lombok'
    testImplementation 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-test'


test 
    useJUnitPlatform()

与传统Spring Boot应用相比，gradle文件中增加了 org.graalvm.buildtools.native 这个plugin，其它的没有区别。

三、主要程序代码

示例程序提供了一个rest接口，该接口从数据库中读取数据。为了便于演示，使用H2数据库。

Application程序代码:

@RestController
@SpringBootApplication
public class Application 
    @Autowired
    private DbService dbService;

    @RequestMapping("/hello")
    public DemoData hello() 
        return dbService.hello();
    

    public static void main(String[] args) 
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    

DbService代码:

@Component
public class DbService 
    @Autowired
    private TestDataRepository testDataRepository;

    public DemoData hello() 
        DemoData demoData = new DemoData();
        demoData = testDataRepository.save(demoData);
        return demoData;
    

由于程序中没有使用反射，所以代码跟传统程序没有什么区别。

三、编译 Native Image

Spring Boot 编译 Native Image 支持2种方式，一种通过Docker进行编译，需要本地安装Docker。另外一种是用本地的编译环境进行编译，需要安装Visual Studio。
由于第一种方式比较简单，除了要安装Docker外没有很复杂的操作，本文只介绍第二种方式。

3.1 安装编译环境

需要安装 GraalVM 和 Visual Studio 两个编译工具。
GraalVM可以直接下载安装，下载地址 ，也可以通过 Scoop 进行安装。
Visual Studio 需要下载安装，由于Visual Studio体积比较大，也可以只安装 Visual Studio Build Tools

3.2 执行编译命令

由于windows命令行工具有命令长度限制，因此编译命令不能在windows命令行工具中直接执行（包括powershell和cmd），需要在安装好的Visual Studio命令行工具（x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022）中执行。
执行命令：

gradle nativeCompile

编译生成的可执行程序在当前工程目录的 build\\native\\nativeCompile目录中，可以看到一个与工程名相同的以exe后缀结尾的文件。
直接运行该文件，就能体验到java程序的启动速度竟然能如此之快。
传统应用启动速度：

cn.springcamp.springnative.Application   : Started Application in 2.927 seconds (process running for 3.642)

native应用启动速度：

cn.springcamp.springnative.Application   : Started Application in 0.134 seconds (process running for 0.141)

启动速度从 3.642 提升到了 0.141 秒。

启动速度虽然快了，但是编译耗时也多了不少，这是一个缺点。

四、单元测试

传统的Spring Boot单元测试技术仍然可以使用。 Spring Boot单元测试技术在这篇文章中有专门介绍。
需要注意的是 Spring Native不支持JUnit4，需要使用JUnit5。

单元测试代码：

@Slf4j
@ExtendWith(SpringExtension.class)
@SpringBootTest(webEnvironment = SpringBootTest.WebEnvironment.RANDOM_PORT)
public class ApplicationTest 
    @Autowired
    private TestRestTemplate testRestTemplate;

    @Test
    public void testHello() 
        String resp = testRestTemplate.getForObject("/hello", String.class);
        log.info("hello result : " + resp);
        assertThat(resp, is("\\"id\\":1"));
    

通过传统单元测试技术可以验证代码业务逻辑是正常的，对于编译成 Native Image 后程序是否还能正常运行，传统单元测试技术保证不了，需要进一步使用 Native Image 单元测试。

Native Image 单元测试通过以下命令执行：

gradle nativeTest

该命令会首先把应用编译成 Native Image 可执行程序，再跑单元测试用例。由于 Native Image 编译相比传统应用耗时要长很多，所以先通过传统的Spring Boot单元测试技术保证代码业务逻辑正常后，再使用 Native Image 单元测试命令，减少整个开发流程的耗时。