提前優化在Spring中

1. 概述

Spring 6 引入了一項新功能，旨在優化應用程序的性能：即時編譯 (AOT) 支持。

在本文中，我們將探討 Spring 6 的 AOT 優化功能的工作原理、其優勢以及如何使用它。

2. 預編譯

預編譯是指在應用程序安裝或部署之前，將源代碼轉換為機器碼的過程。這種方法允許在運行時避免了編譯過程，從而提高了應用程序的啓動速度和性能。常見的預編譯技術包括：

JIT (Just-In-Time) 編譯: JIT 編譯器在運行時動態地將部分或全部代碼轉換為機器碼。
AOT (Ahead-of-Time) 編譯: AOT 編譯器在應用程序安裝或部署時，將整個代碼庫編譯成機器碼。

2.1. 即時編譯 (JIT)

對於最常用的 Java 虛擬機 (JVM)，如 Oracle 的 HotSpot JVM 和 OpenJDK，當我們編譯源文件 (.java 文件) 時，生成的字節碼會被存儲在 .class 文件中。這樣，JVM 使用 JIT 編譯器將字節碼轉換為機器碼。

此外，JIT 編譯還包括 JVM 對字節碼的解釋以及在運行時將經常執行的代碼動態地編譯為本機機器碼。

2.2. 即時編譯 (AOT)

即時編譯 (AOT) 是一種技術，它在應用程序運行之前，將字節碼預編譯為原生機器碼。

Java 虛擬機通常不支持此功能。然而，Oracle 在 OpenJDK 項目中發佈了 GraalVM Native Image，這是一種實驗性的 AOT 功能，允許進行即時編譯。

在預編譯代碼後，計算機的處理器可以直接執行它，從而消除了對 JVM 解釋字節碼的需求，並提高了啓動時間。

在本文中，我們將不深入探討 AOT 編譯器。請參閲我們的其他文章以瞭解即時編譯 (AOT) 的概述。

3. Spring 6 中 AOT (Ahead-of-Time) 編譯

Spring 6 引入了對 Ahead-of-Time (AOT) 編譯的支持，這為應用程序帶來了諸多優勢，例如：

啓動速度提升: AOT 編譯將 Java 代碼在部署之前編譯成原生可執行文件，從而避免了 JVM 的啓動開銷和類加載過程，顯著提升應用程序的啓動速度。
性能優化: AOT 編譯可以消除運行時反射和動態代理，減少 JVM 的開銷，提高應用程序的整體性能。
安全增強: AOT 編譯可以減少運行時依賴於 JVM 的安全風險。
更小的部署包: AOT 編譯生成的部署包通常比依賴於 JVM 的應用程序更小。

Spring 6 通過 Micrometer 和 Spring AOT 提供了對 AOT 編譯的支持。開發者可以使用 Spring AOT 插件來配置和管理 AOT 編譯過程。

// 示例代碼 - 僅用於演示 AOT 編譯的潛在優勢
// 此代碼塊中的註釋將被翻譯
public class Example {
    // 這是一個示例方法，用於演示 AOT 編譯的潛在優勢
    public String sayHello() {
        return "Hello, World!";
    }
}

3.1. AOT 優化

當我們構建 Spring 6 應用時，有三種不同的運行時選項需要考慮：

傳統的 Spring 應用，在 JRE 上運行。
在編譯 AOT 階段生成的代碼，並在 JRE 上運行。
在編譯 AOT 階段生成的代碼，並在 GraalVM 原生鏡像中運行。

讓我們考慮第二種選項，它是 Spring 6 的一項全新特性（第一種是傳統的構建，後一種是原生鏡像）。

首先，我們需要設置環境，使其準備好用於 AOT 編譯：

通過 AOT 編譯構建應用程序具有多個優勢，尤其是在性能和資源消耗方面：

代碼消除：AOT 編譯器可以消除在運行時從未執行的代碼。這可以提高性能，減少需要執行的代碼量。
內聯：內聯是一種技術，AOT 編譯器用函數的實際代碼替換函數調用。這可以提高性能，減少函數調用的開銷。
常量傳播：AOT 編譯器通過用編譯時可以確定的常量值替換變量來優化性能。這消除了運行時計算的需求，並提高了性能。
跨程優化：AOT 編譯器可以分析程序的調用圖，從而優化跨多個函數的代碼，從而減少函數調用的開銷，並識別常見的子表達式。
Bean 定義：Spring 6 中的 AOT 編譯器通過消除不必要的 BeanDefinition 實例來提高應用程序效率。

因此，讓我們使用 AOT 優化構建應用程序，使用以下命令：

mvn clean compile spring-boot:process-aot package

然後使用以下命令運行應用程序：

java -Dspring.aot.enabled=true -jar <jar-name>

我們可以在默認情況下設置構建插件以啓用 AOT 編譯：

<plugin>
     <groupId>org.springframework.boot</groupId>
     <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
     <executions>
	 <execution>
	     <id>process-aot</id>
	     <goals>
		 <goal>process-aot</goal>
	     </goals>
	 </execution>
     </executions>
</plugin>

3.2. AOT 優化中的問題

當我們決定使用 AOT 編譯構建我們的應用程序時，可能會遇到一些問題，例如：

反射： 反射允許代碼在編譯時無法確定就動態地調用方法和訪問字段。AOT 編譯器無法動態地確定調用的類和方法。
屬性文件： 屬性文件的內容可以在運行時更改。AOT 編譯器無法動態地確定使用的屬性文件。
代理： 代理通過提供另一個對象的代理或佔位符來控制對另一個對象的訪問。由於代理可用於動態地將方法調用重定向到其他對象，因此可能會使 AOT 編譯器難以確定在運行時將要調用的類和方法。
序列化： 序列化將對象的狀態轉換為字節流，反之亦然。總體而言，它可能會使 AOT 編譯器難以確定在運行時將要調用的類和方法。

為了確定在 Spring 應用程序中哪些類會導致問題，我們可以運行一個代理，該代理提供有關反射操作的信息。

因此，讓我們配置 Maven 插件以包含一個 JVM 參數，以協助完成此操作。

<plugin>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <jvmArguments>
            -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=target/native-image
        </jvmArguments>
    </configuration>
    <!- ... -->
</plugin>

讓我們用以下命令運行它：

./mvnw -DskipTests clean package spring-boot:run

在 <code >target/native-image/</code > 中，我們會找到生成的如reflect-config.json、resource-config.json>` 等文件。

如果該文件中定義了某些內容，則需要定義 `RuntimeHints>，以便正確編譯可執行文件。

4. 結論

在本文中，我們介紹了 Spring 6 中新推出的 AOT 優化功能。

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