Java 9 AOT 初探

阅读数:6333 2017 年 1 月 15 日

话题:Java语言 & 开发架构

Java 9 引入了aot 编译方式,能够将 class 文件直接编译成可执行二进制文件。目前 Java 9 的early access 版本已经提供了编译工具,让我们来看看它的功能吧。

注意:按照 JEP 295 描述,目前版本的 AOT,仅支持 64 位 Linux 操作系统。

jaotc 使用

首先需要下载最新的 Java 9(JDK),本文编写时,最新版本是 Build 152。下载好的 JDK 只需要解压即可使用,特别注意使用前设置好PATHJAVA_HOME两个环境变量,避免和机器上已经安装的 JDK 混淆。笔者安装到了 $HOME/bin/jdk-9,并设置了:

export PATH=~/bin/jdk-9/bin:$PATH
export JAVA_HOME=~/bin/jdk-9

需要使用jaotc,首先需要有个测试类,首先从 Hello World 开始:


class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) {
                System.out.println("Hello World!");
        }
}

代码非常简单,但是在执行 jaotc 之前,还需要将其编译成 class 文件,直接使用 javac 即可:

$ javac HelloWorld.java

执行成功之后,会生成 HelloWorld.class 文件。此时直接使用 java 命令,已经可以正常运行这个类:

$ java HelloWorld 
Hello World!

这时,就可以基于这个 class 文件,通过jaotc命令将其编译成二进制文件了。

$ jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class

如果一切正常,会生成 libHelloWorld.so 文件。

如果出现类似Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: /home/babydragon/bin/jdk-9/lib/libjelfshim.so: libelf.so.1: 无法打开共享对象文件: 没有那个文件或目录的错误,是因为jaotc需要依赖 libelf 动态链接库来创建elf 文件(最终生成的 libHelloWorld.so 文件是一个静态链接的 elf 文件)。笔者使用的是 Gentoo 系统,需要安装 dev-libs/elfutils 包,以提供 libelf.so 这个动态连接库。安装之后可以通过ldd命令进行确认:

$ ldd $JAVA_HOME/lib/libjelfshim.so
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffd001f3000)
        libelf.so.1 => /usr/lib64/libelf.so.1 (0x00007f25ea2ce000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f25e9f35000)
        libz.so.1 => /lib64/libz.so.1 (0x00007f25e9d1d000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x0000562318d51000)

前面通过jaotc命令成功生成了 libHelloWorld.so。虽然命令里面参照 JEP 295 的示例将生成的文件后缀设置成了 so,但如果使用ldd命令查看,会发现它其实是一个静态链接库:

$ ldd libHelloWorld.so 
        statically linked

通过nm命令,可以看见代码段中的函数入口:

$ nm libHelloWorld.so
0000000000002420 t HelloWorld.()V
0000000000002520 t HelloWorld.main([Ljava/lang/String;)V

最后,需要执行时需要通过参数-XX:AOTLibrary参数指定需要加载的经过 aot 预编译好的共享库文件:

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld

注意:虽然已经将整个 HelloWorld 类都通过 jaotc 编译成共享库文件,运行时仍然需要依赖原有的 HelloWorld.class 文件。

此时执行的输出,和之前不使用 AOT 的输出完全相同。

来把大的——将 java.base 模块编译成 AOT 库

JEP 295 中已经说明,在 Java 9 初始发布的时候,只保证 java.base 模块可以被编译成 AOT 库。

继续参照 JEP 295,创建 java.base-list.txt 文件,内容主要是排除一些编译有问题的方法,具体内容参照原文

然后执行命令:

jaotc -J-XX:+UseCompressedOops -J-XX:+UseG1GC -J-Xmx4g --compile-for-tiered --info --compile-commands java.base-list.txt --output libjava.base-coop.so --module java.base

在笔者的机器上(i7-6600U + 16G 内存 + 256G NVMe SSD),排除上述方法之后,编译时间大约为 9 分多钟。

48878 methods compiled, 4 methods failed (497771 ms)
Parsing compiled code (1126 ms)
Processing metadata (15811 ms)
Preparing stubs binary (0 ms)
Preparing compiled binary (104 ms)
Creating binary: libjava.base-coop.o (5611 ms)
Creating shared library: libjava.base-coop.so (7306 ms)
Total time: 542536 ms

完成之后,就可以使用 AOT 版本的 java.base 模块:

java -XX:AOTLibrary=java_base/libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld

同样,针对 AOT,jvm 也新增了参数打印哪些方法是通过加载 AOT 预编译库执行。

java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=java_base/libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld

输出可以和不使用 java.base 的 AOT 进行比较,发现不使用 java.base 的 AOT 库,只能会加载 libHelloWorld.so 中对应的方法。

$ java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld
     11    1     loaded    ./libHelloWorld.so  aot library
    105    1     aot[ 1]   HelloWorld.()V
    105    2     aot[ 1]   HelloWorld.main([Ljava/lang/String;)V
Hello World!
$ java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=java_base/libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld
     13    1     loaded    java_base/libjava.base-coop.so  aot library
     13    2     loaded    ./libHelloWorld.so  aot library
[Found  [Z  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [C  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [F  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [D  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [B  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [S  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [I  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [J  in  java_base/libjava.base-coop.so]
     31    1     aot[ 1]   java.lang.Object.()V
     31    2     aot[ 1]   java.lang.Object.finalize()V
...

输出太长,节选部分输出,我们可以看见 java 基础类及其方法都通过 AOT 的方式进行加载。

实用吗?

目前 AOT 的局限有:

  • 仅支持 64 位 Linux 操作系统:这个问题不是很大,毕竟大部分线上服务器都能够满足;
  • 操作系统需要预装 libelf 库,以确保能够生成 elf 文件:这个问题也不大,仅生成时需要;
  • AOT 编译和执行环境需要相同:毕竟是二进制文件,引入了平台相关性;
  • Java 9 最初发布时,只支持 java.base 模块可以编译成 AOT 库;
  • 目前只支持 G1 和 Parallel GC 两种 GC 方式:前面没有提到,AOT 编译时的 JVM 参数和运行时需要相同,也包括 GC 方式,也就是说如果用了 AOT,JVM 实际运行时也只能使用这两种 GC 方式之一;
  • 可能会无法编译通过动态生成 class 文件或者修改字节码的 java 代码(如 lambda 表达式、反射调用等):这个可能会比较坑,后面会讲到;
  • JVM 运行时参数设置必须和 AOT 库编译时相同;

AOT 可能带来的好处,是 JVM 加载这些已经预编译成二进制库之后,可以直接调用,而无需再将其运行时编译成二进制码。理论上,AOT 的方式,可以减少JIT带来的预热时间,减少 Java 应用长期给人带来的“第一次运行慢”感觉。

不过,本文使用的 HelloWorld 过于简单,无法通过对比得出 AOT 是否可以减少 JVM 初始化时间。笔者尝试对一个小型 springboot 应用进行 AOT 化,但是 springboot 框架本身无法在 Java 9 中运行。同时直接对 spring-core 的 jar 包执行 jaotc 也因为各种依赖问题而失败。

经过各种尝试,目前 Java 9 的 AOT 功能还处于很初步的阶段:

  • 缺少 maven 等管理工具集成,无法方便的对项目指定 jar 或者 class 文件比构建 AOT 库;
  • 大型框架还没有官方支持,构建 AOT 库难度比较高;
  • 大型框架如果直接提供 AOT 库,可能会因为由特定平台构建,而在本地无法使用;

期待 Java 9 正式发布的时候,能够对 AOT 有更好的支持。


感谢郭蕾对本文的审校。

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