通过 GraalVM 将 Java 程序编译成本地机器码！

2018年4月，Oracle Labs新公开了一项黑科技：Graal VM。

这是一个在HotSpot虚拟机基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，可以作为“任何语言”的运行平台使用。

现在网络上关于 Graal VM 的相关资料并不多，还是要看官方文档。本文旨在简要介绍：

下面是一张 Graal VM 的简要思维导图。

一篇通俗易懂的文章：GraalVM：微服务时代的Java。

Graal VM 被官方称为“Universal VM”和“Polyglot VM”，是一个在HotSpot虚拟机基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，口号是“Run Programs Faster Anywhere”。可以在 Graal VM 上运行“任何语言”，这些语言包括：

Graal VM可以无额外开销地混合使用这些编程语言，支持不同语言中混用对方的接口和对象，也能够支持这些语言使用已经编写好的本地库文件。

具体可参考官方文档：Why GraalVM？

我认为最重要的特性是 Ahead-of-Time Compilation。Substrate VM 是一个在 Graal VM 0.20 版本里的极小型的运行时环境，包括了独立的异常处理、同步调度、线程管理、内存管理（垃圾收集）和JNI访问等组件。Substrate VM 还包含了一个本地镜像的构造器（Native Image Generator），用户可以通过本地镜像构造器构建基于构建机器的可执行文件。

构造器采用指针分析（Points-To Analysis）技术，从用户提供的程序入口出发，搜索所有可达的代码。在搜索的同时，它还将执行初始化代码，并在最终生成可执行文件时，将已初始化的堆保存至一个堆快照之中。

Substrate VM就可以直接从目标程序开始运行，而无须重复进行Java虚拟机的初始化过程。但相应地，原理上也决定了Substrate VM必须要求目标程序是完全封闭的，即不能动态加载其他编译期不可知的代码和类库。基于这个假设，Substrate VM才能探索整个编译空间，并通过静态分析推算出所有虚方法调用的目标方法。

以往单个服务需要 7*24 小时不间断运行，需要单机高可用，此时 Java 服务就很适合。但是 Java 应用程序都需要运行在上百兆的 JRE 上，在微服务上就并不合适。

同时在微服务中，应用可以随时拆分，每个应用并不需要很大的内存，而是需要快速启动、随时更新，也可能不需要长时间运行。Java 应用程序本来启动就很慢，同时需要充分预热才能够获取高性能。

GraalVM 提前编译就提供了一种解决方案，官方给出使用了 GraalVm 后启动时间能够提高 50 倍，内存有 5 倍的下降。

Java 语言在微服务天生就有劣势，这是因为 Java 诞生之初的口号就是“一次编写，到处运行”。这个口号已经植入 Java 的基因中。如果想改变这些（真的要拿Java的劣势去和别的语言的优势相比），会有很多困难：

Graal VM的基本工作原理是将这些语言的源代码（例如JavaScript）或源代码编译后的中间格式（例如LLVM字节码）通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示（Intermediate Representation，IR），譬如设计一个解释器专门对LLVM输出的字节码进行转换来支持C和C++语言，这个过程称为“程序特化”（Specialized，也常称为Partial Evaluation）。

Graal VM提供了Truffle工具集来快速构建面向一种新语言的解释器，并用它构建了一个称为Sulong的高性能LLVM字节码解释器。

Linux、Windows 等其他平台可以参考 Install GraalVM。由于我使用 macOS，本篇文章介绍如何在 macOS 上安装 Graal VM，基于 OpenJDK 11 的 GraalVM Community Edition。

macOS 上的 GraalVM 社区版是 tar.gz 文件，JDK 的安装目录是：

x86 64位的 macOS 安装步骤如下：

检测是否安装成功，可以运行命令：

运行结果为：

将 GraalVM bin 目录加入 PATH 环境变量。

设置 JAVA_HOME 环境变量。

注意：可能需要修改 bashc 配置文件。

通过上述步骤，已经安装好了 GraalVM 的基础组件，如果需要额外支持 Python、R 等语言，需要使用 gu 组件。

安装 GraalVM Native Image，运行命令：

安装 LLVM toolchain 组件，运行命令：

可以参考 GitHub 的 spring-boot-graalvm 项目，这个项目里详细列出了 GraalVM 编译 Spring Boot Java 应用程序可能出现的所有问题，并对比了 Java 应用启动与编译成本地可执行的 Java 程序。

Spring与Graal VM共同维护的在Spring Graal Native项目已经提供了大多数Spring Boot组件的配置信息（以及一些需要在代码层面处理的Patch），我们只需要简单依赖该工程即可。这样 Graal VM 就能获取编译期的反射、动态代理等配置。我们只需要简单依赖工程即可。

需要在 pom.xml 中增加依赖：

指定启动类的路径：

配置一个独立的 profile，在编译时通过 native-image-maven-plugin 插件将其编译成本地可执行文件。

该插件在 Maven 中央仓库不存在，需要指定 pluginRepositories 和 repositories：

Graal VM不支持CGLIB，只能使用JDK动态代理，所以应当把Spring对普通类的Bean增强给关闭掉。Spring Boot 的版本要大于等于 2.2，SpringBootApplication 注解上将 proxyBeanMethods 参数设置为 false。

在命令行通过 maven 打包项目：

最终在 target 目录能够看到可执行文件，大概在 50M 左右，相比 fat jar 为 17M。

能够通过命令行直接运行程序，启动速度贼快。对比 Hello World web 普通应用程序，启动时间是 1.47s，占用内存 491 MB。

而编译成本地代码的 Spring Boot 程序，启动速度是 0.078s，占用内存 30 MB。