探究 Java 应用的启动速度优化

简介： 在高性能的背后，Java 的启动性能差也令人印象深刻，大家印象中的 Java 笨重缓慢的印象也大多来源于此。高性能和快启动速度似乎有一些相悖，本文将和大家一起探究两者是否可以兼得。

作者 | 梁希

高性能和快启动速度，能否鱼和熊掌兼得？

Java 作为一门面向对象编程语言，在性能方面的卓越表现独树一帜。

《Energy Efficiency across Programming Languages，How Does Energy, Time, and Memory Relate?》这份报告调研了各大编程语言的执行效率，虽然场景的丰富程度有限，但是也能够让我们见微知著。

从表中，我们可以看到，Java 的执行效率非常高，约为最快的 C 语言的一半。这在主流的编程语言中，仅次于 C、Rust 和 C++。

Java 的优异性能得益于 Hotspot 中非常优秀的 JIT 编译器。Java 的 Server Compiler(C2) 编译器是 Cliff Click 博士的作品，使用了 Sea-of-Nodes 模型。而这项技术，也通过时间证明了它代表了业界的最先进水平：

• 著名的 V8（JavaScript 引擎）的 TurboFan 编译器使用了相同的设计，只是用更加现代的方式去实现；
• Hotspot 使用 Graal JVMCI 做 JIT 时，性能基本与 C2 持平；
• Azul 的商业化产品将 Hotspot 中的 C2 compiler 替换成 LLVM，峰值性能和 C2 也是持平。

在高性能的背后，Java 的启动性能差也令人印象深刻，大家印象中的 Java 笨重缓慢的印象也大多来源于此。高性能和快启动速度似乎有一些相悖，本文将和大家一起探究两者是否可以兼得。

JAVA 启动慢的根因

1、框架复杂

JakartaEE 是 Oracle 将 J2EE 捐赠给 Eclipse 基金会后的新名字。Java 在1999年推出时便发布了 J2EE 规范，EJB(Java Enterprise Beans) 定义了企业级开发所需要的安全、IoC、AOP、事务、并发等能力。设计极度复杂，最基本的应用都需要大量的配置文件，使用非常不便。

随着互联网的兴起，EJB 逐渐被更加轻量和免费的 Spring 框架取代，Spring 成了 Java 企业开发的事实标准。Spring 虽然定位更加轻量，但是骨子里依然很大程度地受 JakartaEE 的影响，比如早期版本大量 xml 配置的使用、大量 JakartaEE 相关的注解(比如JSR 330依赖注入)，以及规范(如JSR 340 Servlet API)的使用。

但 Spring 仍是一个企业级的框架，我们看几个 Spring 框架的设计哲学：

• 在每一层都提供选项，Spring 可以让你尽可能的推迟选择。
• 适应不同的视角，Spring 具有灵活性，它不会强制为你决定该怎么选择。它以不同的视角支持广泛的应用需求。
• 保持强大的向后兼容性。

在这种设计哲学的影响下，必然存在大量的可配置和初始化逻辑，以及复杂的设计模式来支撑这种灵活性。我们通过一个试验来看：

我们跑一个spring-boot-web的helloword，通过-verbose:class可以看到依赖的class文件：

$ java -verbose:class -jar myapp-1.0-SNAPSHOT.jar | grep spring | head -n 5
[Loaded org.springframework.boot.loader.Launcher from file:/Users/yulei/tmp/myapp-1.0-SNAPSHOT.jar]
[Loaded org.springframework.boot.loader.ExecutableArchiveLauncher from file:/Users/yulei/tmp/myapp-1.0-SNAPSHOT.jar]
[Loaded org.springframework.boot.loader.JarLauncher from file:/Users/yulei/tmp/myapp-1.0-SNAPSHOT.jar]
[Loaded org.springframework.boot.loader.archive.Archive from file:/Users/yulei/tmp/myapp-1.0-SNAPSHOT.jar]
[Loaded org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader from file:/Users/yulei/tmp/myapp-1.0-SNAPSHOT.jar]

$ java -verbose:class -jar myapp-1.0-SNAPSHOT.jar | egrep '^\[Loaded' > classes
$ wc classes
    7404   29638 1175552 classes

class 个数到达惊人的 7404 个。

我们再对比下 JavaScript 生态，使用常用的 express 编写一个基本应用：

const express = require('express')
const app = express()

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello World!')
})
  
  app.listen(3000, () => {
    console.log(`Example app listening at http://localhost:${port}`)
})

我们借用 Node 的 debug 环境变量分析：

NODE_DEBUG=module node app.js 2>&1  | head -n 5
MODULE 18614: looking for "/Users/yulei/tmp/myapp/app.js" in ["/Users/yulei/.node_modules","/Users/yulei/.node_libraries","/usr/local/Cellar/node/14.4.0/lib/node"]
MODULE 18614: load "/Users/yulei/tmp/myapp/app.js" for module "."
MODULE 18614: Module._load REQUEST express parent: .
MODULE 18614: looking for "express" in ["/Users/yulei/tmp/myapp/node_modules","/Users/yulei/tmp/node_modules","/Users/yulei/node_modules","/Users/node_modules","/node_modules","/Users/yulei/.node_modules","/Users/yulei/.node_libraries","/usr/local/Cellar/node/14.4.0/lib/node"]
MODULE 18614: load "/Users/yulei/tmp/myapp/node_modules/express/index.js" for module "/Users/yulei/tmp/myapp/node_modules/express/index.js"

$ NODE_DEBUG=module node app.js 2>&1  | grep ': load "' > js
$ wc js
      55     392    8192 js

这里只依赖了区区 55个 js 文件。

虽然拿 spring-boot 和 express 比并不公平。在 Java 世界也可以基于 Vert.X、Netty 等更加轻量的框架来构建应用，但是在实践中，大家几乎都会不假思索地选择 spring-boot，以便享受 Java 开源生态的便利。

2、一次编译，到处运行

Java 启动慢是因为框架复杂吗？答案只能说框架复杂是启动慢的原因之一。通过 GraalVM 的 Native Image 功能结合 spring-native 特性，可以将 spring-boot 应用的启动时间缩短约十倍。

Java 的 Slogan 是 "Write once, run anywhere"(WORA)，Java 也确实通过字节码和虚拟机技术做到了这一点。

WORA 使得开发者在 MacOS 上开发调试完成的应用可以快速部署到 Linux 服务器，跨平台性也让 Maven 中心仓库更加易于维护，促成了 Java 开源生态的繁荣。

我们来看一下 WORA 对 Java 的影响：

• Class Loading

Java 通