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Java静态编译技术：突破Java“冷启动”桎梏，实现启动性能“质”的飞跃

news 来源：原创 2024/5/4 16:52:38

自1996年诞生以来，Java语言长期在最受欢迎的编程语言排行榜中占据领先地位。除了语言本身的优秀特性之外，Java语言持续演进、不断发展也是它能够保持长盛不衰的重要原因。

|Java市场份额不断下降，岌岌可危？

近年来，随着云原生浪潮的兴起，越来越多的应用被部署在了云厂商的云服务环境中，以计算资源的形式为用户提供服务。在这种趋势下，应用本身越来越小，对跨平台的需求越来越弱（因为平台问题已经由云厂商解决了），但是对应用快速启动、即起即用和高性能执行的需求越来越强。

Java程序的冷启动问题在这种场景下就显得格外突出，成为开发人员在选择编程语言时的主要减分项。根据TIOBE编程语言流行趋势索引统计，Java语言的市场占有率连年下降，在C和Python之后，排名第三。

难道使用Java语言就只能忍受冷启动问题吗？Java社区和工业界一直在探索冷启动问题的解决之道，希望使用Java的用户在享受Java丰富生态的同时，还能获得良好的启动性能。

比如OpenJDK提出的AppCDS（Application Class Data Sharing）技术，可以将已经加载的类的元数据导出到文件，在下次启动时直接从文件导入这些数据，无须再次经过类的解析和加载等过程，由此削减启动时的类加载开销。但是，因为Java的冷启动问题的根源在于JVM本身，所以在JVM之上做的各种优化的效果都是有限的，难以实现质的飞跃。

从根本上审视Java冷启动问题可以发现，启动一个Java程序并让它达到性能的峰值需要经过VM初始化→应用程序初始化→字节码解释执行→JIT编译热点函数→执行JIT编译后的本地代码（native code）等环节，且不论在这些环节上能够做出何种优化，单这么长的一条链路已足以说明冷启动问题之复杂、难解。

如果不能打破这条链路，而只是在各个环节上进行优化，恐怕很难达到理想的效果。那么是否能够打破这条长链，越过中间环节直达最后一步，像C语言一样直接将Java代码编译为本地代码执行呢？

答案是肯定的，这就是Java静态编译技术。Oracle公司推出的开源高性能多语言运行平台项目GraalVM，打造了一个包括静态编译器和轻量级运行时的Java静态编译框架，可以将Java程序从字节码直接编译为本地可执行应用程序。与在JVM下执行相比，静态编译后的Java程序的启动速度最高能够提升两个数量级，完全解决了冷启动问题，实现了Java应用程序启动性能的质的突破。

|什么是Java静态编译技术？

虽然冷启动问题在传统Java的框架内无法被彻底解决，但并不意味着使用Java语言就只能选择忍受冷启动问题，也不是说为了解决冷启动问题就只能放弃Java语言而转投诸如Go等不存在冷启动问题的语言。近年兴起的Java静态编译技术就彻底解决了Java语言的冷启动问题，还因为打破了Java语言与本地代码（native code）之间的界限，为Java世界解锁了更多的特性。

Java静态编译是指将Java程序的字节码在单独的离线阶段编译为汇编代码，其输入为Java的字节码，输出为操作系统本地原生程序。“静态”是相对传统Java程序的动态性而言的，因为传统Java程序是在运行时动态地解释执行和实时编译，所以静态编译需要在执行前就完成程序的编译。

静态编译的基本原则是封闭性假设（closed world assumption），要求编译器在编译时必须掌握运行时所需的全部信息，换句话说，就是运行时不能出现任何编译时未知的内容。这是因为应用程序的可达范围在静态编译时被限定了，因为没有了类加载器、解释器等组件，不能在运行时解析和执行任何动态引入的类。

|与传统Java运行模型相比，静态编译运行模型有两大特点：

一是执行的程序是与平台相关的经过编译优化的本地代码。执行本地代码不再需要经过解释执行和JIT编译，既避免了解释执行的低效，也避免了JIT编译的CPU开销，还解决了传统Java执行模型中无法充分预热，始终存在解释执行的问题，因此可以保证应用程序始终以稳定的性能执行，不会出现大的性能波动。

二是静态编译后的可执行程序自包含了轻量级运行时支持，不再额外需要JVM的支持。没有了JVM，自然也就消除了VM初始化的开销，使得应用程序可以实现“启动即峰值”的特点。另外，因为JVM的运行也需要消耗一部分内存，去掉JVM后应用程序的内存占用也大幅降低。

这两个基本特点解决了Java程序冷启动问题—JVM初始化的开销和从解释执行到JIT编译执行的开销，因此静态编译后的Java程序可以获得极速启动的效果。

解决冷启动问题，实现应用程序的极速启动，因此不再需要预热，降低了用户维持应用热度的成本。

实现程序自举，无须JVM，降低了应用程序自身所需的内存。

打破了Java程序与本地代码之间的边界，JNI调用的开销减少。

Java程序可以被静态编译为本地共享库文件，然后被其他native程序（C/C++程序）直接调用，这就意味着可以用Java语言编写C程序的库文件。

新的编程语言如雨后春笋般竞相冒出，已有的语言也在不断改进。纵观历史，有几门语言像常青树一样始终占据编程语言的主导地位，比如C、C++和Java。因此，研究Java的优化实现是非常有意义的。

目前关于GraalVM静态编译的大多数资料都是开发团队发布的技术文档、博客和GitHub上的开发相关问题讨论，而缺少系统全面性的资料介绍，尤其缺乏中文资料。因此国内的广大程序开发者和技术爱好者对其并不了解。

为了填补这方面的空白，使读者能够系统性了解并掌握GraalVM静态编译技术。推荐阅读这本由阿里静态编译研究团队的核心成员林子熠撰写的《GraalVM与Java静态编译：原理与应用》。

本书特色

本书将为读者详细解释GraalVM中的Java静态编译技术，不仅带你了解GraalVM的静态编译框架的使用方法，更重要的是向你介绍其背后的实现原理。

多名专家联袂推荐：

北京大学计算机科学技术系主任胡振江教授、阿里云基础软件掌门人蔡景现（多隆）、华为方舟编译器总架构师叶寒栋、GraalVM核心开发人员郑雨迪联袂推荐。

阿里资深专家撰写：

作者林子熠是阿里静态编译研究团队的核心成员，曾任华为高级工程师，一直从事静态编译技术的研究与落地。

Java应用性能提升制胜法宝：

通过静态编译技术实现Java应用冷启动，实现性能质的飞跃。

全方位落地指导：

深入原理，给出具体应用与调试技术，指导读者做好平稳落地工作。

一站式掌握Java静态编译：

从生态、主流产品、执行流程与实现机制，到调试工具与实践，一应俱全。

本书结构

本书分为三部分，分别从应用、实现原理和具体实例三个方面进行阐述。

第一部分
从整体上介绍GraalVM项目及其静态编译子项目Substrate VM。

第1章向读者介绍Java静态编译产生的技术原因——Java冷启动问题的产生和由来。
第2章首先对GraalVM做概要介绍，然后分别介绍Substrate VM和方舟编译器这两种实现方案，并对比它们的技术特点。
第3章向读者介绍Oracle GraalVM项目的整体结构。
第4章介绍使用GraalVM静态编译Java应用的详细步骤。

第二部分
主要介绍GraalVM中静态编译框架子项目Substrate VM的实现原理。

第5章介绍Substrate VM静态编译框架的实现与总体流程。
第6章介绍Substrate VM中的功能扩展机制——Feature机制，框架中的各个具体功能点都是通过该机制实现的。
第7章介绍编译时的程序元素替换功能——Substitution机制，该机制实现了无侵入性的程序元素替换能力，在静态编译框架的运行时实现中有基础性的地位。
第8章介绍Substrate VM的类提前初始化优化技术，该技术将符合条件的类在编译时初始化，不但节省了运行时初始化的开销，而且无须分析已经运行过的类初始化函数，因此降低了编译时的静态分析开销。
第9章和第10章分别介绍两种具有代表性的Java动态特性—反射和序列化的静态化实现过程。
第11章和第12章介绍Substrate VM的跨语言编程能力。

第三部分
通过两个实例介绍Java静态编译技术的实践，并在最后介绍程序在静态编译后的产物native image的调试方法。

第13章介绍云原生应用的静态编译和部署实例，侧重云服务平台的部署和性能比较。
第14章介绍用Java实现JVMTI Agent的实例，侧重Substrate VM框架对JVMTI编程的支持。
第15章介绍对native image的调试支持，静态编译后的Java程序已经是本地程序，不再支持原先的Java调试方式，而只能通过GDB调试。本章介绍如何用GDB调试native image程序。