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Graal VM：云原生时代的Java( 二 )

Graal VM


自JDK 10起，HotSpot中又加入了一个全新的即时编译器：Graal编译器，看名字就可以联想到它是来自于前一节提到的Graal VM 。Graal编译器是作为C2编译器替代者的角色登场的 。C2的历史已经非常长了，可以追溯到Cliff Click大神读博士期间的作品，这个由C++写成的编译器尽管目前依然效果拔群，但已经复杂到连Cliff Click本人都不愿意继续维护的程度 。而Graal编译器本身就是由Java语言写成，实现时又刻意与C2采用了同一种名为“Sea-of-Nodes”的高级中间表示（High IR）形式，使其能够更容易借鉴C2的优点 。Graal编译器比C2编译器晚了足足二十年面世，有着极其充沛的后发优势，在保持能输出相近质量的编译代码的同时，开发效率和扩展性上都要显著优于C2编译器，这决定了C2编译器中优秀的代码优化技术可以轻易地移植到Graal编译器上，但是反过来Graal编译器中行之有效的优化在C2编译器里实现起来则异常艰难 。这种情况下，Graal的编译效果短短几年间迅速追平了C2，甚至某些测试项中开始逐渐反超C2编译器 。Graal能够做比C2更加复杂的优化，如“部分逃逸分析”（Partial Escape Analysis），也拥有比C2更容易使用“激进预测性优化”（Aggressive Speculative Optimization）的策略，支持自定义的预测性假设等等 。
今天的Graal编译器尚且年幼，还未经过足够多的实践验证，所以仍然带着“实验状态”的标签，需要用开关参数去激活，这让笔者不禁联想起JDK 1.3时代，HotSpot虚拟机刚刚横空出世时的场景，同样也是需要用开关激活，也是作为Classic虚拟机的替代品的一段历史 。
Graal编译器未来的前途可期，作为Java虚拟机执行代码的最新引擎，它的持续改进，会同时为HotSpot与Graal VM注入更快更强的驱动力 。
向原生迈进
对不需要长时间运行的，或者小型化的应用而言，Java（而不是指Java ME）天生就带有一些劣势，这里并不光是指跑个HelloWorld也需要百多兆的JRE之类的问题，而更重要的是指近几年从大型单体应用架构向小型微服务应用架构发展的技术潮流下，Java表现出来的不适应 。
在微服务架构的视角下，应用拆分后，单个微服务很可能就不再需要再面对数十、数百GB乃至TB的内存，有了高可用的服务集群，也无须追求单个服务要7×24小时不可间断地运行，它们随时可以中断和更新；但相应地，Java的启动时间相对较长、需要预热才能达到最高性能等特点就显得相悖于这样的应用场景 。在无服务架构中，矛盾则可能会更加突出，比起服务，一个函数的规模通常会更小，执行时间会更短，当前最热门的无服务运行环境AWS Lambda所允许的最长运行时间仅有15分钟 。
一直把软件服务作为重点领域的Java自然不可能对此视而不见，在最新的几个JDK版本的功能清单中，已经陆续推出了跨进程的、可以面向用户程序的类型信息共享（Application Class Data Sharing，AppCDS，允许把加载解析后的类型信息缓存起来，从而提升下次启动速度，原本CDS只支持Java标准库，在JDK 10时的AppCDS开始支持用户的程序代码）、无操作的垃圾收集器（Epsilon，只做内存分配而不做回收的收集器，对于运行完就退出的应用十分合适）等改善措施 。而酝酿中的一个更彻底的解决方案，是逐步开始对提前编译（Ahead of Time Compilation，AOT）提供支持 。
提前编译是相对于即时编译的概念，提前编译能带来的最大好处是Java虚拟机加载这些已经预编译成二进制库之后就能够直接调用，而无须再等待即时编译器在运行时将其编译成二进制机器码 。理论上，提前编译可以减少即时编译带来的预热时间，减少Java应用长期给人带来的“第一次运行慢”不良体验，可以放心地进行很多全程序的分析行为，可以使用时间压力更大的优化措施 。
但是提前编译的坏处也很明显，它破坏了Java“一次编写，到处运行”的承诺，必须为每个不同的硬件、操作系统去编译对应的发行包 。也显著降低了Java链接过程的动态性，必须要求加载的代码在编译期就是全部已知的，而不能再是运行期才确定，否则就只能舍弃掉已经提前编译好的版本，退回到原来的即时编译执行状态 。
早在JDK 9时期，Java 就提供了实验性的Jaotc命令来进行提前编译，不过多数人试用过后都颇感失望，大家原本期望的是类似于Excelsior JET那样的编译过后能生成本地代码完全脱离Java虚拟机运行的解决方案，但Jaotc其实仅仅是代替掉即时编译的一部分作用而已，仍需要运行于HotSpot之上 。


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