Spring Native實戰(暢快體驗79毫秒啟動springboot應用)

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https://github.com/zq2599/blog_demos

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

原始碼下載

• 本篇實戰中的完整原始碼可在GitHub下載到，地址和連結資訊如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

名稱	連結	備註
專案主頁	https://github.com/zq2599/blog_demos	該專案在GitHub上的主頁
git倉庫地址(https)	https://github.com/zq2599/blog_demos.git	該專案原始碼的倉庫地址，https協議
git倉庫地址(ssh)	[email protected]:zq2599/blog_demos.git	該專案原始碼的倉庫地址，ssh協議

• 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：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"

         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"

         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">

    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <modules>

        <module>webmvc</module>

    </modules>

    <parent>

        <groupId>org.springframework.boot</groupId>

        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>

        <version>2.5.0-SNAPSHOT</version>

        <relativePath/>

    </parent>

    <groupId>com.bolingcavalry</groupId>

    <artifactId>spring-native-tutorials</artifactId>

    <version>1.0-SNAPSHOT</version>

    <packaging>pom</packaging>

    <properties>

        <java.version>1.8</java.version>

        <!-- 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 -->

        <classifier/>

        <!-- 構建映象時的定製引數 -->

        <native.build.args/>

        <!-- 指定使用dmikusa/graalvm-tiny這個映象作為構建工具，來構建映象 -->

        <builder>dmikusa/graalvm-tiny</builder>

        <!-- spring cloud版本 -->

        <spring-cloud.version>2020.0.2</spring-cloud.version>

    </properties>

    <!-- 外掛管理 -->

    <pluginRepositories>

        <pluginRepository>

            <id>spring-release</id>

            <name>Spring release</name>

            <url>https://repo.spring.io/release</url>

            <snapshots>

                <enabled>false</enabled>

            </snapshots>

        </pluginRepository>

        <pluginRepository>

            <id>spring-milestone</id>

            <name>Spring milestone</name>

            <url>https://repo.spring.io/milestone</url>

            <snapshots>

                <enabled>false</enabled>

            </snapshots>

        </pluginRepository>

        <pluginRepository>

            <id>spring-snapshot</id>

            <name>Spring Snapshots</name>

            <url>https://repo.spring.io/snapshot</url>

            <releases>

                <enabled>false</enabled>

            </releases>

        </pluginRepository>

    </pluginRepositories>

    <!--倉庫管理-->

    <repositories>

        <repository>

            <id>spring-release</id>

            <name>Spring release</name>

            <url>https://repo.spring.io/release</url>

            <snapshots>

                <enabled>false</enabled>

            </snapshots>

        </repository>

        <repository>

            <id>spring-milestone</id>

            <name>Spring milestone</name>

            <url>https://repo.spring.io/milestone</url>

            <snapshots>

                <enabled>false</enabled>

            </snapshots>

        </repository>

        <repository>

            <id>spring-snapshot</id>

            <name>Spring Snapshots</name>

            <url>https://repo.spring.io/snapshot</url>

            <releases>

                <enabled>false</enabled>

            </releases>

        </repository>

    </repositories>

    <!--依賴包版本管理-->

    <dependencyManagement>

        <dependencies>

            <dependency>

                <groupId>org.springframework.experimental</groupId>

                <artifactId>spring-native</artifactId>

                <version>0.10.0-SNAPSHOT</version>

            </dependency>

            <dependency>

                <groupId>org.springframework.cloud</groupId>

                <artifactId>spring-cloud-dependencies</artifactId>

                <version>${spring-cloud.version}</version>

                <type>pom</type>

                <scope>import</scope>

            </dependency>

        </dependencies>

    </dependencyManagement>

    <!--外掛配置-->

    <build>

        <pluginManagement>

            <plugins>

                <plugin>

                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>

                    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>

                    <configuration>

                        <classifier>${classifier}</classifier>

                        <image>

                            <builder>${builder}</builder>

                            <env>

                                <BP_NATIVE_IMAGE>true</BP_NATIVE_IMAGE>

                                <BP_NATIVE_IMAGE_BUILD_ARGUMENTS>${native.build.args}</BP_NATIVE_IMAGE_BUILD_ARGUMENTS>

                            </env>

                            <!--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-->

                            <pullPolicy>IF_NOT_PRESENT</pullPolicy>

                        </image>

                    </configuration>

                </plugin>

                <!-- aot外掛，ahead-of-time transformations -->

                <plugin>

                    <groupId>org.springframework.experimental</groupId>

                    <artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId>

                    <version>0.10.0-SNAPSHOT</version>

                    <executions>

                        <execution>

                            <id>test-generate</id>

                            <goals>

                                <goal>test-generate</goal>

                            </goals>

                        </execution>

                        <execution>

                            <id>generate</id>

                            <goals>

                                <goal>generate</goal>

                            </goals>

                        </execution>

                    </executions>

                </plugin>

            </plugins>

        </pluginManagement>

    </build>

</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：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"

         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"

         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">

    <parent>

        <artifactId>spring-native-tutorials</artifactId>

        <groupId>com.bolingcavalry</groupId>

        <version>1.0-SNAPSHOT</version>

    </parent>

    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <artifactId>webmvc</artifactId>

    <dependencies>

        <dependency>

            <groupId>org.springframework.experimental</groupId>

            <artifactId>spring-native</artifactId>

        </dependency>

        <dependency>

            <groupId>org.springframework.boot</groupId>

            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>

            <exclusions>

                <exclusion>

                    <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>

                    <artifactId>tomcat-embed-core</artifactId>

                </exclusion>

                <exclusion>

                    <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>

                    <artifactId>tomcat-embed-websocket</artifactId>

                </exclusion>

            </exclusions>

        </dependency>

        <dependency>

            <groupId>org.apache.tomcat.experimental</groupId>

            <artifactId>tomcat-embed-programmatic</artifactId>

            <version>${tomcat.version}</version>

        </dependency>

        <dependency>

            <groupId>org.springframework.boot</groupId>

            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>

            <scope>test</scope>

        </dependency>

    </dependencies>

    <build>

        <plugins>

            <plugin>

                <groupId>org.springframework.experimental</groupId>

                <artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId>

                <configuration>

                    <removeSpelSupport>true</removeSpelSupport>

                </configuration>

            </plugin>

            <plugin>

                <groupId>org.springframework.boot</groupId>

                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>

            </plugin>

        </plugins>

    </build>

</project>

• 程式碼很簡單，一個普通的springboot應用，帶http介面：

package com.bolingcavalry.webmvc;

import org.springframework.boot.SpringApplication;

import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

import org.springframework.http.HttpStatus;

import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;

import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseStatus;

import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.time.LocalDateTime;

@SpringBootApplication

@RestController

public class WebmvcApplication {

	public static void main(String[] args) {

		SpringApplication.run(WebmvcApplication.class, args);

	}

	@ResponseStatus(HttpStatus.ACCEPTED)

	@GetMapping("/status")

	public String status() {

		return "status";

	}

	@GetMapping("/")

	public String hello() {

		return "1. Hello from Spring MVC and Tomcat, " + LocalDateTime.now();

	}

}

• 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：

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：

...

[INFO] Successfully built image 'docker.io/library/webmvc:1.0-SNAPSHOT'

[INFO]

[INFO] ------------------------------------------------------------------------

[INFO] Reactor Summary for spring-native-tutorials 1.0-SNAPSHOT:

[INFO]

[INFO] spring-native-tutorials ............................ SUCCESS [  1.786 s]

[INFO] webmvc ............................................. SUCCESS [04:19 min]

[INFO] ------------------------------------------------------------------------

[INFO] BUILD SUCCESS

[INFO] ------------------------------------------------------------------------

[INFO] Total time:  04:25 min

[INFO] Finished at: 2021-05-22T16:36:44+08:00

[INFO] ------------------------------------------------------------------------

[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：

(base) zhaoqindeMBP:~ zhaoqin$ docker history webmvc:1.0-SNAPSHOT

IMAGE          CREATED        CREATED BY   SIZE      COMMENT

b8ff54813ae0   41 years ago                69B

<missing>      41 years ago                452kB

<missing>      41 years ago                2.51MB

<missing>      41 years ago                57.2MB

<missing>      41 years ago                1.4MB

<missing>      41 years ago                268B

<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）：

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：

(base) zhaoqindeMBP:~ zhaoqin$ docker run --rm -p 8080:8080 webmvc:1.0-SNAPSHOT

2021-05-22 09:34:57.578  INFO 1 --- [           main] o.s.nativex.NativeListener               : This application is bootstrapped with code generated with Spring AOT

  .   ____          _            __ _ _

 /\\ / ___'_ __ _ _(_)_ __  __ _ \ \ \ \

( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \

 \\/  ___)| |_)| | | | | || (_| |  ) ) ) )

  '  |____| .__|_| |_|_| |_\__, | / / / /

 =========|_|==============|___/=/_/_/_/

 :: Spring Boot ::       (v2.5.0-SNAPSHOT)

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)

2021-05-22 09:34:57.586  INFO 1 --- [           main] c.b.webmvc.WebmvcApplication             : No active profile set, falling back to default profiles: default

2021-05-22 09:34:57.661  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat initialized with port(s): 8080 (http)

May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.coyote.AbstractProtocol init

INFO: Initializing ProtocolHandler ["http-nio-8080"]

May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.catalina.core.StandardService startInternal

INFO: Starting service [Tomcat]

May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.catalina.core.StandardEngine startInternal

INFO: Starting Servlet engine: [Apache Tomcat/9.0.46]

May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.catalina.core.ApplicationContext log

INFO: Initializing Spring embedded WebApplicationContext

2021-05-22 09:34:57.669  INFO 1 --- [           main] w.s.c.ServletWebServerApplicationContext : Root WebApplicationContext: initialization completed in 79 ms

May 22, 2021 9:34:57 AM org.apache.coyote.AbstractProtocol start

INFO: Starting ProtocolHandler ["http-nio-8080"]

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 ''

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)

2021-05-22 09:34:57.713  INFO 1 --- [           main] o.s.b.a.ApplicationAvailabilityBean      : Application availability state LivenessState changed to CORRECT

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：

CONTAINER ID   NAME               CPU %     MEM USAGE / LIMIT     MEM %     NET I/O           BLOCK I/O     PIDS

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：

(base) zhaoqindeMacBook-Pro:~ zhaoqin$ docker run --rm -P docker.io/bolingcavalry/hellojib:0.0.1-SNAPSHOT

  .   ____          _            __ _ _

 /\\ / ___'_ __ _ _(_)_ __  __ _ \ \ \ \

( ( )\___ | '_ | '_| | '_ \/ _` | \ \ \ \

 \\/  ___)| |_)| | | | | || (_| |  ) ) ) )

  '  |____| .__|_| |_|_| |_\__, | / / / /

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 :: Spring Boot ::        (v2.1.6.RELEASE)

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 /)

2021-05-22 11:13:28.128  INFO 1 --- [           main] c.b.hellojib.HellojibApplication         : No active profile set, falling back to default profiles: default

2021-05-22 11:13:30.000  INFO 1 --- [           main] o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat initialized with port(s): 8080 (http)

2021-05-22 11:13:30.054  INFO 1 --- [           main] o.apache.catalina.core.StandardService   : Starting service [Tomcat]

2021-05-22 11:13:30.054  INFO 1 --- [           main] org.apache.catalina.core.StandardEngine  : Starting Servlet engine: [Apache Tomcat/9.0.21]

2021-05-22 11:13:30.241  INFO 1 --- [           main] o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]       : Initializing Spring embedded WebApplicationContext

2021-05-22 11:13:30.241  INFO 1 --- [           main] o.s.web.context.ContextLoader            : Root WebApplicationContext: initialization completed in 2036 ms

2021-05-22 11:13:30.715  INFO 1 --- [           main] o.s.s.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor  : Initializing ExecutorService 'applicationTaskExecutor'

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 ''

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)

2021-05-22 11:13:48.866  INFO 1 --- [nio-8080-exec-1] o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]       : Initializing Spring DispatcherServlet 'dispatcherServlet'

2021-05-22 11:13:48.866  INFO 1 --- [nio-8080-exec-1] o.s.web.servlet.DispatcherServlet        : Initializing Servlet 'dispatcherServlet'

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：

CONTAINER ID   NAME               CPU %     MEM USAGE / LIMIT     MEM %     NET I/O           BLOCK I/O     PIDS

ffb32e5b68b9   eager_williamson   0.64%     356.3MiB / 3.844GiB   9.05%     3.46kB / 2.29kB   0B / 0B       31

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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