53、原生编译 Java 微服务：Kubernetes 部署与测试

原生编译 Java 微服务：Kubernetes 部署与测试

1. 原生编译微服务的优势与 Kubernetes 测试背景

原生编译的微服务在启动速度和内存消耗方面，相较于基于 Java VM 的替代方案表现更为出色。接下来，我们将探讨如何使用 Kubernetes 运行这些原生编译的微服务。

1.1 准备工作：Helm 图表与 Docker 镜像

为了在 Kubernetes 中部署原生编译的微服务，我们添加了一个新的环境 Helm 图表，该图表已配置为使用包含原生编译微服务的 Docker 镜像。Helm 图表可在以下文件夹中找到：

kubernetes/helm/
└── environments
    └── dev-env-native

1.2 迁移 Docker 镜像到 Minikube 实例

在将原生编译的微服务部署到 Kubernetes 之前，我们需要考虑如何提供 Docker 镜像。为避免再次运行冗长的原生编译命令以在 Minikube 实例中创建新的 Docker 镜像，我们将从 Docker Desktop 中提取 Docker 镜像并导入到 Minikube 实例中。具体步骤如下：
1. 从 Docker Desktop 导出 Docker 镜像 ：

eval $(minikube docker-env -u)
docker save hands-on/native-product-composite-service:latest -o native-product-composite.tar
docker save hands-on/native-product-service:latest -o native-product.tar
docker save hands-on/native-recommendation-service:latest -o native-recommendation.tar
docker save hands-on/native-review-service:latest -o native-review.tar

2. 重新启动 Minikube 实例 ：

minikube start

3. 在单独的终端中启动 Minikube 隧道命令 ：

minikube tunnel

4. 将 Docker 镜像导入到 Minikube 实例 ：

eval $(minikube docker-env)
docker load -i native-product-composite.tar
docker load -i native-product.tar
docker load -i native-recommendation.tar
docker load -i native-review.tar

5. 删除导出的 .tar 文件 ：

rm native-product-composite.tar native-product.tar native-recommendation.tar native-review.tar

1.3 构建、部署和验证部署

构建、部署和验证在 Kubernetes 上的部署与之前的步骤类似。具体命令如下：
1. 构建 auth-server 的 Docker 镜像 ：

docker-compose build auth-server

2. 重新创建命名空间并设置为默认命名空间 ：

kubectl delete namespace hands-on
kubectl apply -f kubernetes/hands-on-namespace.yml
kubectl config set-context $(kubectl config current-context) --namespace=hands-on

3. 解决 Helm 图表依赖 ：

for f in kubernetes/helm/components/*; do helm dep up $f; done
for f in kubernetes/helm/environments/*; do helm dep up $f; done

4. 使用 Helm 部署系统环境 ：

helm upgrade -install hands-on-dev-env-native \
  kubernetes/helm/environments/dev-env-native \
  -n hands-on --wait

请注意，此命令要求您的用户具有 sudo 权限，并且在启动期间需要输入密码。命令可能需要几秒钟才会要求输入密码，因此很容易错过。

5. 运行常规测试以验证部署 ：

./test-em-all.bash

预期输出应与之前的测试类似。

6. 检查 Pod 的启动时间 ：

kubectl delete pod -l app=product-composite
kubectl logs -l app=product-composite --tail=-1 | grep ": Started"

预期启动时间与使用 Docker Compose 时相似，例如上述示例中的 0.4 秒。由于我们还作为边车启动了 Istio 代理，可能会有一些额外的延迟。

7. 检查使用的 Docker 镜像 ：

kubectl get pods -o jsonpath="{.items[*].spec.containers[*].image}" | xargs -n1 | grep hands-on

从输出中可以看出，除 auth-server 外，所有容器都使用具有相同前缀 native 的 Docker 镜像，这意味着我们在 Docker 容器中运行的是原生编译的可执行文件。

1.4 操作流程总结

步骤	操作	命令
1	导出 Docker 镜像	eval $(minikube docker-env -u) docker save hands-on/native-product-composite-service:latest -o native-product-composite.tar docker save hands-on/native-product-service:latest -o native-product.tar docker save hands-on/native-recommendation-service:latest -o native-recommendation.tar docker save hands-on/native-review-service:latest -o native-review.tar
2	启动 Minikube 实例	minikube start
3	启动 Minikube 隧道	minikube tunnel
4	导入 Docker 镜像	eval $(minikube docker-env) docker load -i native-product-composite.tar docker load -i native-product.tar docker load -i native-recommendation.tar docker load -i native-review.tar
5	删除 .tar 文件	rm native-product-composite.tar native-product.tar native-recommendation.tar native-review.tar
6	构建 auth-server 镜像	docker-compose build auth-server
7	重新创建命名空间	kubectl delete namespace hands-on kubectl apply -f kubernetes/hands-on-namespace.yml kubectl config set-context $(kubectl config current-context) --namespace=hands-on
8	解决 Helm 依赖	for f in kubernetes/helm/components/*; do helm dep up $f; done for f in kubernetes/helm/environments/*; do helm dep up $f; done
9	部署系统环境	helm upgrade -install hands-on-dev-env-native kubernetes/helm/environments/dev-env-native -n hands-on --wait
10	运行测试	./test-em-all.bash
11	检查启动时间	kubectl delete pod -l app=product-composite kubectl logs -l app=product-composite --tail=-1 | grep ": Started"
12	检查 Docker 镜像	kubectl get pods -o jsonpath="{.items[*].spec.containers[*].image}" | xargs -n1 | grep hands-on

1.5 流程图示

graph LR
    A[导出 Docker 镜像] --> B[启动 Minikube 实例]
    B --> C[启动 Minikube 隧道]
    C --> D[导入 Docker 镜像]
    D --> E[删除 .tar 文件]
    E --> F[构建 auth-server 镜像]
    F --> G[重新创建命名空间]
    G --> H[解决 Helm 依赖]
    H --> I[部署系统环境]
    I --> J[运行测试]
    J --> K[检查启动时间]
    K --> L[检查 Docker 镜像]

2. 原生编译技术原理与其他相关要点

2.1 Spring AOT 引擎与 GraalVM 项目

Spring AOT 引擎和 GraalVM 项目为创建原生编译的可执行文件提供了强大的支持。在构建文件中声明 GraalVM 的插件，并为 Native Image 编译器提供一些可达性元数据和自定义提示后，就可以使用它来创建 Native Images。Spring Boot 的 Gradle 任务 buildBootImage 将这些独立的可执行文件打包成可直接使用的 Docker 镜像。

2.2 原生编译的优势

将基于 Java 的源代码编译成 Native Images 的主要好处是显著加快启动时间和减少内存使用。在一项测试中，原生编译的微服务启动时间为 0.2 - 0.5 秒，而基于 Java VM 的微服务则需要 5.5 到 7 秒。此外，在运行脚本 test-em-all.bash 进行验证后，原生编译的微服务所需的内存不到基于 Java VM 的微服务的一半。

2.3 兼容性与应对方案

大多数库和框架已经支持 GraalVM 的 Native Image 编译器。对于不支持的库和框架，GraalVM Reachability Metadata Repository 可以通过提供社区的可达性元数据来提供帮助。GraalVM 的构建插件可以自动检测并从该存储库下载可达性元数据。作为最后的手段，可以使用 GraalVM Native Image 跟踪代理来创建可达性元数据，以帮助原生编译器。跟踪代理配置为与现有的 JUnit 测试一起运行，根据测试的执行创建可达性元数据。

2.4 测试与验证

为了验证微服务在原生编译后是否能够正常工作，我们可以使用 Spring Boot 的 Gradle 任务 nativeTest 运行单元测试。不过，由于某些问题，目前 nativeTest 任务在某些情况下可能不太有用。

2.5 其他相关技术要点

• 分布式跟踪 ：添加分布式跟踪到源代码中，可以使用 Micrometer Tracing 或 Zipkin 来实现。具体配置如下：

# 添加 Micrometer Tracing 配置
# 在相关配置文件中添加以下内容
# 具体配置根据实际情况调整
# 例如在 application.yml 中
management:
  tracing:
    enabled: true
  otlp:
    tracing:
      exporter:
        endpoint: http://zipkin:4317

# 添加 Zipkin 配置
# 在相关配置文件中添加以下内容
# 例如在 application.yml 中
spring:
  zipkin:
    base-url: http://zipkin:9411
  sleuth:
    sampler:
      probability: 1.0

• 弹性机制 ：可以使用 Resilience4j 为源代码添加弹性机制，如断路器、重试等。以下是添加重试机制的示例：

import io.github.resilience4j.retry.annotation.Retry;
import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class MyService {

    @Retry(name = "myServiceRetry", fallbackMethod = "fallback")
    public String myMethod() {
        // 业务逻辑
        return "Success";
    }

    public String fallback(Exception e) {
        return "Fallback";
    }
}

同时，在配置文件中添加重试机制的配置：

resilience4j.retry.instances.myServiceRetry.maxAttempts=3
resilience4j.retry.instances.myServiceRetry.waitDuration=1000

2.6 总结

通过使用 Spring 的 AOT 引擎和 GraalVM 项目，我们可以创建原生编译的微服务，并在 Kubernetes 中进行高效部署和测试。原生编译的微服务在启动速度和内存使用方面具有明显优势，同时通过一系列的技术手段可以解决兼容性和验证问题。在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的技术方案，以提高微服务的性能和可靠性。

2.7 技术要点对比表格

技术要点	描述
原生编译	显著加快启动时间和减少内存使用
GraalVM	提供 Native Image 编译器，结合 Spring AOT 引擎创建 Native Images
分布式跟踪	使用 Micrometer Tracing 或 Zipkin 实现，帮助监控和调试
弹性机制	使用 Resilience4j 添加断路器、重试等机制，提高系统稳定性
测试验证	使用 Spring Boot 的 Gradle 任务 nativeTest 验证微服务原生编译后的功能

2.8 整体技术架构图示

graph LR
    A[Spring AOT 引擎] --> B[GraalVM 项目]
    B --> C[Native Image 编译器]
    C --> D[Native Images]
    D --> E[Docker 镜像]
    E --> F[Kubernetes 部署]
    G[分布式跟踪] --> F
    H[弹性机制] --> F
    I[测试验证] --> F

通过以上的技术和操作步骤，我们可以更好地利用原生编译技术来提升微服务的性能和部署效率，同时确保系统的稳定性和可靠性。

3. 常见问题与解答

3.1 Spring 的 AOT 引擎和 GraalVM 项目的关系

Spring 的 AOT 引擎和 GraalVM 项目紧密相关。Spring AOT 引擎为 Spring 应用提供了提前编译（AOT）的能力，而 GraalVM 项目则包含了 Native Image 编译器，能够将 Java 代码编译成原生可执行文件。在构建文件中声明 GraalVM 的插件，并结合 Spring AOT 引擎的配置，就可以利用 GraalVM 的 Native Image 编译器创建 Native Images，从而实现 Java 应用的原生编译。

3.2 跟踪代理的使用方法

GraalVM Native Image 跟踪代理用于创建可达性元数据，以帮助原生编译器处理不支持的库和框架。具体使用步骤如下：
1. 配置跟踪代理 ：在 Java 源代码中进行相关配置，例如在启动命令中添加跟踪代理的参数。

java -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=./META-INF/native-image -jar your-app.jar

2. 运行测试 ：运行现有的 JUnit 测试，跟踪代理会根据测试的执行创建可达性元数据。
3. 生成元数据 ：测试完成后，可达性元数据会生成在指定的目录（如上述的 ./META-INF/native-image ）中。
4. 使用元数据 ：将生成的可达性元数据提供给 Native Image 编译器，帮助其进行原生编译。

3.3 JIT 和 AOT 编译的区别

• JIT（Just in Time）编译 ：JIT 编译是在程序运行时进行的编译。Java 虚拟机（JVM）在运行 Java 字节码时，会根据代码的执行情况动态地将字节码编译成机器码。这种编译方式的优点是可以根据程序的实际运行情况进行优化，但启动时间较长，因为需要在运行时进行编译。
• AOT（Ahead of Time）编译 ：AOT 编译是在程序运行之前进行的编译。在编译阶段，就将 Java 源代码编译成原生可执行文件，运行时直接执行这些原生代码，无需再进行动态编译。因此，AOT 编译的程序启动速度快，内存使用效率高，但可能无法根据程序的实际运行情况进行实时优化。

3.4 AOT 模式及其优势

AOT 模式即提前编译模式，它将 Java 代码在运行前编译成原生可执行文件。使用 AOT 模式的优势主要有：
- 加快启动时间 ：由于在运行前已经完成编译，程序启动时无需再进行动态编译，从而显著加快了启动速度。
- 减少内存使用 ：原生可执行文件的内存占用通常比 Java 字节码在 JVM 中运行时要少，因此可以减少内存消耗。
- 提高性能 ：AOT 编译可以进行一些静态优化，提高程序的执行性能。

3.5 原生自定义提示

原生自定义提示是为 Native Image 编译器提供的额外信息，用于帮助编译器更好地处理 Java 代码。这些提示可以包括类的初始化顺序、反射调用的类等信息。通过提供原生自定义提示，可以解决一些在原生编译过程中出现的问题，确保编译后的程序能够正常运行。例如，在配置文件中可以添加如下自定义提示：

import org.graalvm.nativeimage.hosted.Feature;
import org.graalvm.nativeimage.hosted.RuntimeReflection;

import java.lang.reflect.Method;

public class MyNativeHint implements Feature {

    @Override
    public void beforeAnalysis(BeforeAnalysisAccess access) {
        try {
            // 注册反射调用的类和方法
            Class<?> myClass = Class.forName("com.example.MyClass");
            Method myMethod = myClass.getMethod("myMethod");
            RuntimeReflection.register(myClass);
            RuntimeReflection.register(myMethod);
        } catch (ClassNotFoundException | NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.6 原生测试及其作用

原生测试是指在原生编译后的环境中运行的测试。使用 Spring Boot 的 Gradle 任务 nativeTest 可以运行这些测试，以验证微服务在原生编译后是否能够正常工作。原生测试的作用在于确保微服务在原生编译后仍然保持原有的功能和性能，及时发现并解决在原生编译过程中可能出现的问题。

3.7 原生编译对初始内存使用和启动时间的影响

将 Java 代码进行原生编译可以显著改善初始内存使用和启动时间。在测试中，原生编译的微服务启动时间通常在 0.2 - 0.5 秒之间，而基于 Java VM 的微服务启动时间则需要 5.5 到 7 秒。此外，原生编译的微服务在运行脚本 test-em-all.bash 进行验证后，所需的内存不到基于 Java VM 的微服务的一半。这是因为原生编译的可执行文件无需 JVM 的启动和加载过程，直接执行原生代码，从而减少了内存占用和启动时间。

3.8 常见问题总结表格

问题	解答
Spring 的 AOT 引擎和 GraalVM 项目的关系	Spring AOT 引擎提供提前编译能力，GraalVM 项目的 Native Image 编译器用于将 Java 代码编译成原生可执行文件，二者结合实现 Java 应用的原生编译
跟踪代理的使用方法	配置跟踪代理，运行 JUnit 测试，生成可达性元数据，将元数据提供给 Native Image 编译器
JIT 和 AOT 编译的区别	JIT 是运行时编译，启动时间长；AOT 是运行前编译，启动速度快、内存使用少
AOT 模式及其优势	AOT 模式提前编译，加快启动时间、减少内存使用、提高性能
原生自定义提示	为 Native Image 编译器提供额外信息，解决编译过程中的问题
原生测试及其作用	在原生编译后的环境中运行测试，验证微服务功能和性能
原生编译对初始内存使用和启动时间的影响	显著加快启动时间，减少内存使用

3.9 问题解答流程图示

graph LR
    A[提出问题] --> B[分析问题类型]
    B --> C{是否为常见问题}
    C -- 是 --> D[查找对应解答]
    C -- 否 --> E[进行深入研究]
    D --> F[提供解答]
    E --> F

4. 总结与展望

4.1 技术总结

通过使用 Spring 的 AOT 引擎和 GraalVM 项目，我们可以将 Java 微服务进行原生编译，从而显著提高启动速度和减少内存使用。在 Kubernetes 中部署和测试原生编译的微服务时，需要进行一系列的准备工作，包括迁移 Docker 镜像、解决 Helm 图表依赖等。同时，为了确保微服务在原生编译后能够正常工作，还需要进行测试和验证，使用分布式跟踪和弹性机制来提高系统的稳定性和可维护性。

4.2 未来展望

随着技术的不断发展，原生编译技术在微服务领域的应用将会越来越广泛。未来，我们可以期待以下方面的发展：
- 更多框架和库的支持 ：更多的 Java 框架和库将支持 GraalVM 的 Native Image 编译器，进一步降低原生编译的难度。
- 更好的开发工具和调试支持 ：开发工具将提供更好的原生编译支持，例如更智能的代码提示、更方便的调试功能等。
- 更广泛的应用场景 ：原生编译的微服务将在更多的场景中得到应用，如边缘计算、物联网等，为这些领域带来更高的性能和更低的资源消耗。

4.3 学习建议

对于想要深入学习原生编译技术的开发者，建议从以下几个方面入手：
- 学习基础知识 ：掌握 Java 编程、Spring 框架、Kubernetes 等基础知识，为学习原生编译技术打下坚实的基础。
- 实践项目 ：通过实际项目来练习原生编译技术，加深对技术的理解和掌握。
- 关注技术动态 ：关注 Spring AOT 引擎、GraalVM 项目等相关技术的发展动态，及时了解最新的技术进展。

4.4 整体技术发展图示

graph LR
    A[当前技术应用] --> B[更多框架和库支持]
    A --> C[更好的开发工具和调试支持]
    A --> D[更广泛的应用场景]
    B --> E[未来技术发展]
    C --> E
    D --> E

总之，原生编译技术为 Java 微服务的发展带来了新的机遇。通过合理利用这些技术，我们可以提高微服务的性能和部署效率，为企业的数字化转型提供有力支持。