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內容：所有原創文章分類彙總及配套原始碼，涉及Java、Docker、Kubernetes、DevOPS等；

關於Spring Native

  • Spring官方部落格於2021年03月11日宣佈Spring Native的beta版本釋出，藉助Spring Native可以將spring應用與GraalVM整合到native image中；

  • native image是GraalVM的一項技術，會將java應用的位元組碼編譯成可執行檔案，還會與JDK的本地庫做靜態連結，執行應用時無需Java虛擬機器，自身已集成了記憶體管理，執行緒排程等能力，更多資訊請參考：https://www.graalvm.org/reference-manual/native-image/

  • 本文以實戰為主，因此不會用太多篇幅介紹Spring Native的理論和優勢，這裡簡單小結幾個重要特性：

  1. 應用啟動速度不超過100毫秒；
  2. 啟動即達到效能峰值（C1、C2等手段已經用不上了）
  3. 執行時更低的記憶體消耗；
  4. docker映象不含JDK（所需檔案已經抽取出來放入映象），官方展示的含有Spring Boot, Spring MVC, Jackson, Tomcat的映象大小是50M；
  5. 為了達到前面的效果，代價是構建時間更長；

Spring Native到底是什麼

個人的理解：Spring Native是Spring提供的、製作native image的技術方案，涉及到以下關鍵技術：

  1. Spring ahead-of-time (AOT) 外掛，對spring應用做AOT處理，使得傳統虛擬機器的class lazy loading在不復存在；
  2. spring-boot-maven-plugin外掛在構建docker映象的時候，使用了名為dmikusa/graalvm-tiny的映象作為構建工具，這個工具負責將當前工程的構建結果和GraalVM整合在一起，最終制作成native image；

本篇概覽

作為實戰風格的文章，本篇主要內容是開發springboot應用再構建為native image，然後驗證其功能和效果，本文由以下內容構成：

  1. 環境資訊
  2. 新建名為spring-native-tutorials的maven父工程，對實戰用到的依賴庫、外掛等做統一配置；
  3. 新建名為webmvc的maven子工程，這是個springboot應用；
  4. 將webmvc構建為native image，這是個docker映象；
  5. 在docker中啟動映象，驗證是否可用，並檢查相關相關指標；

環境資訊

本次實戰相關的環境資訊如下：

  1. 電腦：MacBook pro 13寸 2018
  2. 作業系統：macOS Big Sur 11.2.3
  3. IDE：IntelliJ IDEA 2018.3.5 (Ultimate Edition)
  4. docker：20.10.5
  5. JDK：1.8.0_211
  6. maven：3.6.0
  7. springboot：2.5.0-SNAPSHOT
  8. spring-aot-maven-plugin：0.10.0-SNAPSHOT

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名稱 連結 備註
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  • 這個git專案中有多個資料夾，本次實戰的原始碼在spring-native-tutorials資料夾下，如下圖紅框所示：

新建名為spring-native-tutorials的maven父工程

  • 對Spring Native的學習不是寫出helloworld就完事，因此這裡先建立一個父工程，為今後所有的應用提供統一的依賴庫、外掛管理；

  • 新建名為spring-native-tutorials的maven父工程，pom.xml內容如下，有幾處要注意的地方稍後提到：

  1. <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
  2. <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
  3.          xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
  4.          xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  5.     <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  6.     <modules>
  7.         <module>webmvc</module>
  8.     </modules>
  10.     <parent>
  11.         <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  12.         <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
  13.         <version>2.5.0-SNAPSHOT</version>
  14.         <relativePath/>
  15.     </parent>
  17.     <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
  18.     <artifactId>spring-native-tutorials</artifactId>
  19.     <version>1.0-SNAPSHOT</version>
  21.     <packaging>pom</packaging>
  23.     <properties>
  24.         <java.version>1.8</java.version>
  25.         <!-- springboot生成jar檔案的檔名字尾，用來避免Spring Boot repackaging和native-image-maven-plugin外掛之間可能存在的衝突 -->
  26.         <classifier/>
  28.         <!-- 構建映象時的定製引數 -->
  29.         <native.build.args/>
  31.         <!-- 指定使用dmikusa/graalvm-tiny這個映象作為構建工具，來構建映象 -->
  32.         <builder>dmikusa/graalvm-tiny</builder>
  34.         <!-- spring cloud版本 -->
  35.         <spring-cloud.version>2020.0.2</spring-cloud.version>
  36.     </properties>
  38.     <!-- 外掛管理 -->
  39.     <pluginRepositories>
  40.         <pluginRepository>
  41.             <id>spring-release</id>
  42.             <name>Spring release</name>
  43.             <url>https://repo.spring.io/release</url>
  44.             <snapshots>
  45.                 <enabled>false</enabled>
  46.             </snapshots>
  47.         </pluginRepository>
  48.         <pluginRepository>
  49.             <id>spring-milestone</id>
  50.             <name>Spring milestone</name>
  51.             <url>https://repo.spring.io/milestone</url>
  52.             <snapshots>
  53.                 <enabled>false</enabled>
  54.             </snapshots>
  55.         </pluginRepository>
  56.         <pluginRepository>
  57.             <id>spring-snapshot</id>
  58.             <name>Spring Snapshots</name>
  59.             <url>https://repo.spring.io/snapshot</url>
  60.             <releases>
  61.                 <enabled>false</enabled>
  62.             </releases>
  63.         </pluginRepository>
  64.     </pluginRepositories>
  66.     <!--倉庫管理-->
  67.     <repositories>
  68.         <repository>
  69.             <id>spring-release</id>
  70.             <name>Spring release</name>
  71.             <url>https://repo.spring.io/release</url>
  72.             <snapshots>
  73.                 <enabled>false</enabled>
  74.             </snapshots>
  75.         </repository>
  76.         <repository>
  77.             <id>spring-milestone</id>
  78.             <name>Spring milestone</name>
  79.             <url>https://repo.spring.io/milestone</url>
  80.             <snapshots>
  81.                 <enabled>false</enabled>
  82.             </snapshots>
  83.         </repository>
  84.         <repository>
  85.             <id>spring-snapshot</id>
  86.             <name>Spring Snapshots</name>
  87.             <url>https://repo.spring.io/snapshot</url>
  88.             <releases>
  89.                 <enabled>false</enabled>
  90.             </releases>
  91.         </repository>
  92.     </repositories>
  94.     <!--依賴包版本管理-->
  95.     <dependencyManagement>
  96.         <dependencies>
  97.             <dependency>
  98.                 <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
  99.                 <artifactId>spring-native</artifactId>
  100.                 <version>0.10.0-SNAPSHOT</version>
  101.             </dependency>
  102.             <dependency>
  103.                 <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
  104.                 <artifactId>spring-cloud-dependencies</artifactId>
  105.                 <version>${spring-cloud.version}</version>
  106.                 <type>pom</type>
  107.                 <scope>import</scope>
  108.             </dependency>
  109.         </dependencies>
  110.     </dependencyManagement>
  112.     <!--外掛配置-->
  113.     <build>
  114.         <pluginManagement>
  115.             <plugins>
  116.                 <plugin>
  117.                     <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  118.                     <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
  119.                     <configuration>
  120.                         <classifier>${classifier}</classifier>
  121.                         <image>
  122.                             <builder>${builder}</builder>
  123.                             <env>
  124.                                 <BP_NATIVE_IMAGE>true</BP_NATIVE_IMAGE>
  125.                                 <BP_NATIVE_IMAGE_BUILD_ARGUMENTS>${native.build.args}</BP_NATIVE_IMAGE_BUILD_ARGUMENTS>
  126.                             </env>
  127.                             <!--執行構建任務的映象，如果在當前環境不存在才會遠端下載-->
  128.                             <pullPolicy>IF_NOT_PRESENT</pullPolicy>
  129.                         </image>
  130.                     </configuration>
  131.                 </plugin>
  133.                 <!-- aot外掛，ahead-of-time transformations -->
  134.                 <plugin>
  135.                     <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
  136.                     <artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId>
  137.                     <version>0.10.0-SNAPSHOT</version>
  138.                     <executions>
  139.                         <execution>
  140.                             <id>test-generate</id>
  141.                             <goals>
  142.                                 <goal>test-generate</goal>
  143.                             </goals>
  144.                         </execution>
  145.                         <execution>
  146.                             <id>generate</id>
  147.                             <goals>
  148.                                 <goal>generate</goal>
  149.                             </goals>
  150.                         </execution>
  151.                     </executions>
  152.                 </plugin>
  153.             </plugins>
  154.         </pluginManagement>
  155.     </build>
  156. </project>
  • 上述pom.xml有以下幾處需要注意：
  1. 外掛倉庫、依賴庫倉庫、依賴庫版本的配置都集中在這裡；
  2. 配置好spring-aot-maven-plugin和spring-boot-maven-plugin這兩個外掛，子工程會用到；
  3. spring-boot-maven-plugin外掛製作docker映象的時候，又會用到dmikusa/graalvm-tiny映象，這才是真正構建native image的工具；

新建springboot型別的maven子工程

  • 新建名為webmvc的子工程，pom.xml內容如下，可見內容很簡單，就是常規依賴庫和父工程配置的兩個外掛，一個負責執行AOT，一個負責構建映象：
  1. <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
  2. <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
  3.          xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
  4.          xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  5.     <parent>
  6.         <artifactId>spring-native-tutorials</artifactId>
  7.         <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
  8.         <version>1.0-SNAPSHOT</version>
  9.     </parent>
  10.     <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  11.     <artifactId>webmvc</artifactId>
  12.     <dependencies>
  13.         <dependency>
  14.             <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
  15.             <artifactId>spring-native</artifactId>
  16.         </dependency>
  17.         <dependency>
  18.             <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  19.             <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
  20.             <exclusions>
  21.                 <exclusion>
  22.                     <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>
  23.                     <artifactId>tomcat-embed-core</artifactId>
  24.                 </exclusion>
  25.                 <exclusion>
  26.                     <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>
  27.                     <artifactId>tomcat-embed-websocket</artifactId>
  28.                 </exclusion>
  29.             </exclusions>
  30.         </dependency>
  31.         <dependency>
  32.             <groupId>org.apache.tomcat.experimental</groupId>
  33.             <artifactId>tomcat-embed-programmatic</artifactId>
  34.             <version>${tomcat.version}</version>
  35.         </dependency>
  36.         <dependency>
  37.             <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  38.             <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
  39.             <scope>test</scope>
  40.         </dependency>
  41.     </dependencies>
  43.     <build>
  44.         <plugins>
  45.             <plugin>
  46.                 <groupId>org.springframework.experimental</groupId>
  47.                 <artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId>
  48.                 <configuration>
  49.                     <removeSpelSupport>true</removeSpelSupport>
  50.                 </configuration>
  51.             </plugin>
  52.             <plugin>
  53.                 <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  54.                 <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
  55.             </plugin>
  56.         </plugins>
  57.     </build>
  58. </project>
  • 程式碼很簡單，一個普通的springboot應用，帶http介面：
  1. package com.bolingcavalry.webmvc;
  3. import org.springframework.boot.SpringApplication;
  4. import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
  5. import org.springframework.http.HttpStatus;
  6. import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
  7. import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseStatus;
  8. import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
  9. import java.time.LocalDateTime;
  11. @SpringBootApplication
  12. @RestController
  13. public class WebmvcApplication {
  15. 	public static void main(String[] args) {
  16. 		SpringApplication.run(WebmvcApplication.class, args);
  17. 	}
  19. 	@ResponseStatus(HttpStatus.ACCEPTED)
  20. 	@GetMapping("/status")
  21. 	public String status() {
  22. 		return "status";
  23. 	}
  25. 	@GetMapping("/")
  26. 	public String hello() {
  27. 		return "1. Hello from Spring MVC and Tomcat, " + LocalDateTime.now();
  28. 	}
  29. }
  • 現在編碼已完成，來構建docker映象吧，進入父工程的pom.xml所在目錄，執行以下命令：
  1. mvn clean -U -DskipTests spring-boot:build-image
  • 構建成功後輸出資訊如下（篇幅所限僅擷取最後一小段）,耗時4分25秒，期間筆記本風扇狂轉：
  1. ...
  2. [INFO] Successfully built image 'docker.io/library/webmvc:1.0-SNAPSHOT'
  3. [INFO]
  4. [INFO] ------------------------------------------------------------------------
  5. [INFO] Reactor Summary for spring-native-tutorials 1.0-SNAPSHOT:
  6. [INFO]
  7. [INFO] spring-native-tutorials ............................ SUCCESS [  1.786 s]
  8. [INFO] webmvc ............................................. SUCCESS [04:19 min]
  9. [INFO] ------------------------------------------------------------------------
  10. [INFO] BUILD SUCCESS
  11. [INFO] ------------------------------------------------------------------------
  12. [INFO] Total time:  04:25 min
  13. [INFO] Finished at: 2021-05-22T16:36:44+08:00
  14. [INFO] ------------------------------------------------------------------------
  15. [WARNING] The requested profile "nexus" could not be activated because it does not exist.
  • 執行docker images命令，如下圖，可見映象已經生成：

  • 檢視映象構成，可見每個layer都不大，共計七十多M：
  1. (base) zhaoqindeMBP:~ zhaoqin$ docker history webmvc:1.0-SNAPSHOT
  2. IMAGE          CREATED        CREATED BY   SIZE      COMMENT
  3. b8ff54813ae0   41 years ago                69B
  4. <missing>      41 years ago                452kB
  5. <missing>      41 years ago                2.51MB
  6. <missing>      41 years ago                57.2MB
  7. <missing>      41 years ago                1.4MB
  8. <missing>      41 years ago                268B
  9. <missing>      41 years ago                17.3MB
  • 映象構建成功，可以驗證基本功能了；

驗證

  • 執行以下命令，建立一個臨時容器（控制檯結束後容器會被清理掉）：
  1. docker run --rm -p 8080:8080 webmvc:1.0-SNAPSHOT
  • 控制檯輸出如下，79毫秒啟動完成，真是一眨間的功夫：
  1. (base) zhaoqindeMBP:~ zhaoqin$ docker run --rm -p 8080:8080 webmvc:1.0-SNAPSHOT
  2. 2021-05-22 09:34:57.578  INFO 1 --- [           main] o.s.nativex.NativeListener               : This application is bootstrapped with code generated with Spring AOT
  4.   .   ____          _            __ _ _
  5.  /\\ / ___'_ __ _ _(_)_ __  __ _ \ \ \ \
  6. ( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \
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  9.  =========|_|==============|___/=/_/_/_/
  10.  :: Spring Boot ::       (v2.5.0-SNAPSHOT)
  12. 2021-05-22 09:34:57.586  INFO 1 --- [           main] c.b.webmvc.WebmvcApplication             : Starting WebmvcApplication using Java 1.8.0_292 on 3529ec458896 with PID 1 (/workspace/com.bolingcavalry.webmvc.WebmvcApplication started by cnb in /workspace)
  13. 2021-05-22 09:34:57.586  INFO 1 --- [           main] c.b.webmvc.WebmvcApplication             : No active profile set, falling back to default profiles: default
  14. 2021-05-22 09:34:57.661  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat initialized with port(s): 8080 (http)
  15. May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.coyote.AbstractProtocol init
  16. INFO: Initializing ProtocolHandler ["http-nio-8080"]
  17. May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.catalina.core.StandardService startInternal
  18. INFO: Starting service [Tomcat]
  19. May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.catalina.core.StandardEngine startInternal
  20. INFO: Starting Servlet engine: [Apache Tomcat/9.0.46]
  21. May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.catalina.core.ApplicationContext log
  22. INFO: Initializing Spring embedded WebApplicationContext
  23. 2021-05-22 09:34:57.669  INFO 1 --- [           main] w.s.c.ServletWebServerApplicationContext : Root WebApplicationContext: initialization completed in 79 ms
  24. May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.coyote.AbstractProtocol start
  25. INFO: Starting ProtocolHandler ["http-nio-8080"]
  26. 2021-05-22 09:34:57.713  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat started on port(s): 8080 (http) with context path ''
  27. 2021-05-22 09:34:57.713  INFO 1 --- [           main] c.b.webmvc.WebmvcApplication             : Started WebmvcApplication in 0.178 seconds (JVM running for 0.19)
  28. 2021-05-22 09:34:57.713  INFO 1 --- [           main] o.s.b.a.ApplicationAvailabilityBean      : Application availability state LivenessState changed to CORRECT
  29. 2021-05-22 09:34:57.714  INFO 1 --- [           main] o.s.b.a.ApplicationAvailabilityBean      : Application availability state ReadinessState changed to ACCEPTING_TRAFFIC
  • 瀏覽器訪問本機8080埠，如下圖，應用基本功能正常：

  • 再看看資源使用情況，命令是docker stats，如下可見，記憶體僅用了30M：
  1. CONTAINER ID   NAME               CPU %     MEM USAGE / LIMIT     MEM %     NET I/O           BLOCK I/O     PIDS
  2. 6ce6c66fb4de   jovial_hertz       0.11%     30.69MiB / 3.844GiB   0.78%     1.49kB / 158B     4.31MB / 0B   18
  • 我曾經在hub.docker.com上放了一個傳統springboot應用製作的映象bolingcavalry/hellojib:0.0.1-SNAPSHOT，現在拿來和Spring Native映象對比一下，啟動資訊如下，耗時2036毫秒：
  1. (base) zhaoqindeMacBook-Pro:~ zhaoqin$ docker run --rm -P docker.io/bolingcavalry/hellojib:0.0.1-SNAPSHOT
  3.   .   ____          _            __ _ _
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  9.  :: Spring Boot ::        (v2.1.6.RELEASE)
  11. 2021-05-22 11:13:28.121  INFO 1 --- [           main] c.b.hellojib.HellojibApplication         : Starting HellojibApplication on ffb32e5b68b9 with PID 1 (/app/classes started by root in /)
  12. 2021-05-22 11:13:28.128  INFO 1 --- [           main] c.b.hellojib.HellojibApplication         : No active profile set, falling back to default profiles: default
  13. 2021-05-22 11:13:30.000  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat initialized with port(s): 8080 (http)
  14. 2021-05-22 11:13:30.054  INFO 1 --- [           main] o.apache.catalina.core.StandardService   : Starting service [Tomcat]
  15. 2021-05-22 11:13:30.054  INFO 1 --- [           main] org.apache.catalina.core.StandardEngine  : Starting Servlet engine: [Apache Tomcat/9.0.21]
  16. 2021-05-22 11:13:30.241  INFO 1 --- [           main] o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]       : Initializing Spring embedded WebApplicationContext
  17. 2021-05-22 11:13:30.241  INFO 1 --- [           main] o.s.web.context.ContextLoader            : Root WebApplicationContext: initialization completed in 2036 ms
  18. 2021-05-22 11:13:30.715  INFO 1 --- [           main] o.s.s.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor  : Initializing ExecutorService 'applicationTaskExecutor'
  19. 2021-05-22 11:13:31.103  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat started on port(s): 8080 (http) with context path ''
  20. 2021-05-22 11:13:31.110  INFO 1 --- [           main] c.b.hellojib.HellojibApplication         : Started HellojibApplication in 3.618 seconds (JVM running for 4.297)
  21. 2021-05-22 11:13:48.866  INFO 1 --- [nio-8080-exec-1] o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]       : Initializing Spring DispatcherServlet 'dispatcherServlet'
  22. 2021-05-22 11:13:48.866  INFO 1 --- [nio-8080-exec-1] o.s.web.servlet.DispatcherServlet        : Initializing Servlet 'dispatcherServlet'
  23. 2021-05-22 11:13:48.880  INFO 1 --- [nio-8080-exec-1] o.s.web.servlet.DispatcherServlet        : Completed initialization in 14 ms
  • 再用docker stats對比記憶體，傳統springboot應用的容器消耗了三百多兆記憶體：
  1. CONTAINER ID   NAME               CPU %     MEM USAGE / LIMIT     MEM %     NET I/O           BLOCK I/O     PIDS
  2. ffb32e5b68b9   eager_williamson   0.64%     356.3MiB / 3.844GiB   9.05%     3.46kB / 2.29kB   0B / 0B       31
  3. 6ce6c66fb4de   jovial_hertz       0.11%     30.69MiB / 3.844GiB   0.78%     1.49kB / 158B     4.31MB / 0B   18
  • 綜上所述，Spring Native帶來的優勢是很明顯的，不過請注意：2021年03月11日官方宣佈的Spring Native只是beta版本，請不要用於生產環境！！！

下載外掛失敗

在實際操作過程中，經常會遇到maven外掛或者docker映象下載失敗的情況，除了多試幾次，您還可以考慮將專案放到github上去，藉助github action在雲端完成映象構建，具體操作請參考《用GitHub Actions製作Docker映象》

不用開發，直接體驗

  • 我已將映象上傳到hub.docker.com，完整名稱是bolingcavalry/webmvc:1.0-SNAPSHOT，如果您只想體驗一下native image的效果可以直接下載該映象使用；

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