GraalVM学习笔记

前言

官网： https://www.graalvm.org/
Github：https://github.com/oracle/graal

我是在看《深入理解java虚拟机第三版》的时候了解到的GraalVM，在书中的1.5 展望java技术的未来和11.5实战：深入理解Graal编译器有提到，感觉这玩意挺有意思的，是目前的java黑科技，大家可以去看看，这里做个学习笔记记录记录

介绍

看官网的标语是Run Programs Faster Anywhere，以更快的速度运行程序，体现出了它的高性能和蓬勃的野心。

GraalVM 是一个高性能的、支持多种编程语言的执行环境，可以显著提高应用程序的性能和效率，是微服务的理想选择。可以基于它的多语言引擎运行其他的比如（JavaScript, Python, Ruby, R, C,C++, Rust等）语言，还可以通过 AOT（Ahead-Of-Time）编译成可执行文件单独运行（通过SubstrateVM）

主要的特点：
1、底层基于Hotspot
2、通过JVMCI，基于Graal compiler实现的JIT编译器
3、打包为平台相关的可执行文件
4、跨语言全栈虚拟机，基于Truffle框架实现，可以不同语言相互调用代码

这个整体叫做GraalVM， GraalVM并不是一个新的语言虚拟机，GraalVM是指以Java hotspot虚拟机为基础，以Graal即时编译器为核心，以能运行多种语言为目标，包含一系列框架和技术的大杂烩

关于Native Image

GraalVM Native Image是由Oracle Labs开发的一种AOT编译器，支持基于JVM的高级语言，如Java, Scala, Clojure, Kotlin。Native Image以Java bytecode作为输入，将所有应用所需的class依赖项及runtime库打包编译生成一个单独可执行文件。具有高效的startup及较小的运行时内存开销的优势。

与传统的Java虚拟机不同，Native Image是封闭式的静态分析和编译，不支持class的动态加载，程序运行所需要的多有依赖项均在静态分析阶段完成。此外GraalVM Native Image运行在一个名为SubstrateVM的轻量级的虚拟机之上。

Native image的缺点：
1、打包之后就不能用传统的java调试工具了，要调试只能用gdb，调试过程比较复杂
2、反射需要额外的配置文件，不是很方便
3、传统的JVMTI、java agent、JMX等等功能都用不了

参考：
https://aijishu.com/a/1060000000090571

关于跨语言运行原理

基本工作原理是将这些语言的源代码、或编译后的中间格式（比如C编译后的LLVM字节码），通过一个专门的解释器转换为能被GraalVM接受的中间表示IR，这个过程叫程序特化（Partial Evaluation）

我们知道，实现一门新编程语言传统做法是实现一个编译器，把该语言编写的程序转换成可直接在硬件上运行的机器码，编译器分为前端和后端：前端负责词法分析、语法分析、类型检查和中间代码生成，后端负责编译优化和目标代码生成。一种比较取巧的做法则是将新语言编译成某种已知语言，或者已知的中间形式，例如将 Scala、Kotlin 编译成 Java 字节码。

Truffle 是一个用 Java 写的语言实现框架。基于 Truffle 的语言实现仅需用 Java 实现词法分析、语法分析以及针对语法分析所生成的抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）的解释执行器。GraalVM提供了Truffle工具集快速构建面向一种新语言的解释器，如果想支持一门新语言，实现一个具体语言的AST解释器即可，目前GraalVM能够支持多语言的原因也是实现了各种不同的解释器

下面借知乎回答的一张图

可以发现它们最终都是跑在jvm上

实际使用上，使用gu install各种语言解释器(llvm-toolchain、python、R、Ruby)即可执行各种语言的代码

参考：
https://www.zhihu.com/question/274042223
《深入理解java虚拟机第三版—1.5.1》
https://time.geekbang.org/column/article/41582 34-36章节

关于Graal Compiler

我们知道，hotspot jvm 内置了两个jit编译器，分别是client compiler（C1编译器）和server compiler（C2编译器），C1用于简单优化质量低，C2进行长时间优化质量更高。从Jdk10起，hotspotVM加入了一个全新的即时编译器，Graal编译器，它也是GraalVM的即时编译器，是GraalVM高性能的基石。

在hotspotVM中Graal编译器用于替代C2编译器，因为目前C2复杂到它的作者Cliff Click 大神都不愿维护的程度。它们两者最明显的区别就是Graal 是用 Java 写的，而 C2 是用 C++ 写的。相对来说，Graal 更加模块化，也更容易开发与维护。总体来说，Graal 编译结果的性能要优于 C2

在jdk10、11中可以通过**-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler**在hotspot中启用graal编译器

从图上可以看出hotspot通过JVMCI将编译请求分发给Graal编译器，Graal编译器又通过JVMCI（JVM Compiler Interface）接口（还有个类似的叫JVMTI，那个一般在agent和debug里面用，不要记混淆了）响应jvm发出的编译请求，通过JVMCI可以动态替换JIT编译器，也可以很方便的升级Graal编译器，是个很好的解耦设计

你可能会好奇用java去编译java这种操作，其实编译大概来说就是将一段byte[]转为另一段byte[]，啥语言实现都行，并且javac（前端编译器）也是java写的，关于这个操作可以看看编译器的自举。

还有疑问觉得java写的性能看起来不如C++的，实际上在充分预热情况下java中的热点代码会被JIT编译为机器码，执行速度跟C++不相上下，即便是解释执行graal也只是影响编译速度而不是影响编译结果的性能（目前在刚开始运行的过程中，Graal 编译器本身需要被即时编译，会抢占原本可用于编译应用代码的计算资源。因此，目前 Graal 编译器的启动性能会较差）。

参考：
LLVM： https://www.jianshu.com/p/1367dad95445
JVMCI：http://openjdk.java.net/jeps/243
JVMCI实战：参考《深入理解java虚拟机第三版–11.5 实战：深入理解Graal编译器》
Graal介绍：https://time.geekbang.org/column/article/41245

graalVM安装

一：通过sdkman来安装graal（需要网络环境）

安装sdkman

curl -s "https://get.sdkman.io" | bash
source "$HOME/.sdkman/bin/sdkman-init.sh"

常用命令

sdk ls java // 列出可用版本
sdk install java 13.0.1.hs-adpt // 安装指定版本
sdk default java 11.0.5.hs-adpt // 切换默认版本
sdk use java 8.0.232.hs-adpt  // 切换临时版本
sdk current java // 查看当前版本
sdk uninstall java 11.0.5.hs-adpt // 移除
sdk flush candidates // 刷新候选者

除了JDK之外，SDKMAIN!还可以安装其它Java相关的SDK，包括Scala、Kotlin、Groovy、Spring Boot、Maven、sbt和Gradle等。比如，下面的命令可以列出来全部的Maven版本。再使用sdk install maven进行安装即可。
sdk ls maven

#安装graal
sdk install 20.3.0.r8-grl
#使用gu安装native-image
gu list
gu install native-image

这个sdkman用起来确实很方便，看很多文档都有推荐这个，但是网络太差需要搭梯子，所以推荐下面的方法

二：手工安装（推荐）

https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases
git上下载最新版本，现在推荐用jdk 11

tar zxvf graalvm-ce-java11-linux-amd64-20.3.0.tar.gz

然后解压，修改环境变量，就可以了，注意这个设置是临时生效的

export PATH=/home/graal/graalvm-ce-java11-20.3.0/bin:$PATH
export JAVA_HOME=/home/graal/graalvm-ce-java11-20.3.0
export GRAALVM_HOME=/home/graal/graalvm-ce-java11-20.3.0

最后不要忘记装这个插件

gu install native-image

安装native-image需要网络环境，如果不行可以手工下载安装

参考https://www.graalvm.org/reference-manual/graalvm-updater/#manual-installation
下载地址https://www.oracle.com/downloads/graalvm-downloads.html

选择对应的平台版本下载即可，文件大概为：native-image-installable-svm-svmee-java11-linux-amd64-20.3.0.jar

下载好后输入命令安装即可

gu -L install native-image-installable-svm-java11-darwin-amd64-20.0.1.jar 

启动起来的效果就是这样

最后如果想体验各种语言在GraalVM上跑，参考https://www.graalvm.org/docs/getting-started/#start-running-applications
这里重点介绍构建native应用

下一节： Quarkus云原生应用初体验