應“雲”而生的 Java 框架:構建本機可執行文件

語言: CN / TW / HK

今天來看一下 Quarkus 構建出來的本機可執行文件到底比 Spring 應用能快多少, 生態的成熟度不在這裏討論

TLDR

先上結論, 與只有一個 Controller 的Spring Web 應用做下對比。

應用啟動時間:0.012s vs 2.294s

鏡像大小:49MB vs 237 MB

Spring 應用鏡像使用 openjdk:11.0-jre-slim 作為 base 鏡像,大小為 220MB。

docker images
REPOSITORY                                    TAG             IMAGE ID       CREATED          SIZE
spring/spring-getting-started                 latest          5f47030c5c3f   6 minutes ago    237MB
quarkus/quarkus-getting-started               distroless2     fe973c5ac172   24 minutes ago   49MB
quarkus/quarkus-getting-started               distroless      6fe27dd44e86   31 minutes ago   51MB
quarkus/quarkus-getting-started               ubi             8f86f5915715   58 minutes ago   132MB

Java 應用容器化的困境

雲原生世界中,應用容器化是個顯著的特點。Java 應用容器化時面臨瞭如下問題:

  • 應用啟動慢:其實這是 Java 應用的問題。Java 應用佔用內存多;JVM 虛擬機啟動時需要做環境的初始化、預加載大量的類、初始化線程等等。啟動耗時視應用情況需要幾秒,甚至可達分鐘級。較長的啟動耗時,也抑制了水平伸縮性。即使在 Serverless 這種響應耗時要求不高的場景,也會被嫌棄。
  • 鏡像過大:其實使用了鏡像的分層設計,常見的一個 SpringCloud 應用的 über-jar 包可能都有 7、80MB。
  • 空間佔用:雖然用了鏡像分層,但積少成多,也會增加存儲成本。

Quarkus 與本機映像(native image)

Quarkus 的開發遵從了容器優先的原則:

  • 支持 Graal/SubstrateVM
  • 構建時處理元數據
  • 減少反射的使用
  • 本機映像預啟動

本機映像是將 Java 代碼提前編譯為可執行文件(稱為本機映像)的技術。該可執行文件包括應用程序類、其依賴項中的類、運行時間類以及 JDK 中的靜態鏈接本機代碼。它不是在 Java VM 上運行,而是包括必要的組件,例如內存管理,線程調度等,這些組件來自另一個運行時系統 “Substrate VM”。“Substrate VM” 是運行時組件(例如反優化器,垃圾收集器,線程調度等)的名稱。與 JVM 相比,生成的程序具有更快的啟動時間和更低的運行時內存開銷。

如何構建本機映像

環境配置參考 上一篇文章 ,可以直接 從這裏下載源碼 。

配置 GraalVM

之前我們使用了 sdkman 進行 GraalVM 安裝。設置 GRAALVM_HOME 環境變量:

export GRAALVM_HOME=`sdk home java 21.0.0.2.r11-grl`

使用 gu 安裝 native-image

${GRAALVM_HOME}/bin/gu install native-image

構建本機可執行文件

在源碼的 pom.xml 中,我們可以看到如下的 profile

<profiles>
    <profile>
        <id>native</id>
        <properties>
            <quarkus.package.type>native</quarkus.package.type>
        </properties>
    </profile>
</profiles>

我們使用這個 profile 進行本機可執行文件的構建,整個構建耗時 幾分鐘

./mvnw package -Pnative

部分構建日誌:

[INFO] --- maven-jar-plugin:2.4:jar (default-jar) @ quarkus-getting-started ---
[INFO]
[INFO] --- quarkus-maven-plugin:1.13.0.Final:build (default) @ quarkus-getting-started ---
[INFO] [org.jboss.threads] JBoss Threads version 3.2.0.Final
[INFO] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.JarResultBuildStep] Building native image source jar: /Users/addo/Workspaces/private_w/quarkus-getting-started/target/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-native-image-source-jar/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner.jar
[INFO] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildStep] Building native image from /Users/addo/Workspaces/private_w/quarkus-getting-started/target/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-native-image-source-jar/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner.jar
[INFO] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildContainerRunner] Using docker to run the native image builder
[INFO] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildContainerRunner] Checking image status quay.io/quarkus/ubi-quarkus-native-image:21.0.0-java11
21.0.0-java11: Pulling from quarkus/ubi-quarkus-native-image
Digest: sha256:becf08de869e707beaa5e57444b533ef93ebef15aad90c92ac660ddf7cea2b11
Status: Image is up to date for quay.io/quarkus/ubi-quarkus-native-image:21.0.0-java11
quay.io/quarkus/ubi-quarkus-native-image:21.0.0-java11
[INFO] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildStep] Running Quarkus native-image plugin on GraalVM Version 21.0.0 (Java Version 11.0.10+8-jvmci-21.0-b06)
[INFO] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildRunner] docker run --env LANG=C --rm -v /Users/addo/Workspaces/private_w/quarkus-getting-started/target/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-native-image-source-jar:/project:z quay.io/quarkus/ubi-quarkus-native-image:21.0.0-java11 -J-Dsun.nio.ch.maxUpdateArraySize=100 -J-Djava.util.logging.manager=org.jboss.logmanager.LogManager -J-Dvertx.logger-delegate-factory-class-name=io.quarkus.vertx.core.runtime.VertxLogDelegateFactory -J-Dvertx.disableDnsResolver=true -J-Dio.netty.leakDetection.level=DISABLED -J-Dio.netty.allocator.maxOrder=1 -J-Duser.language=en -J-Duser.country=CN -J-Dfile.encoding=UTF-8 --initialize-at-build-time= -H:InitialCollectionPolicy=com.oracle.svm.core.genscavenge.CollectionPolicy\$BySpaceAndTime -H:+JNI -H:+AllowFoldMethods -jar quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner.jar -H:FallbackThreshold=0 -H:+ReportExceptionStackTraces -J-Xmx5g -H:-AddAllCharsets -H:EnableURLProtocols=http --no-server -H:-UseServiceLoaderFeature -H:+StackTrace quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]    classlist:   5,859.24 ms,  0.96 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]        (cap):     633.34 ms,  0.94 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]        setup:   2,468.19 ms,  0.94 GB
00:06:00,437 INFO  [org.jbo.threads] JBoss Threads version 3.2.0.Final
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]     (clinit):     516.65 ms,  2.23 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]   (typeflow):  12,642.02 ms,  2.23 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]    (objects):  11,340.37 ms,  2.23 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]   (features):     525.87 ms,  2.23 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]     analysis:  26,032.67 ms,  2.23 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]     universe:   1,394.06 ms,  2.16 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]      (parse):   2,690.38 ms,  2.16 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]     (inline):   4,336.77 ms,  2.73 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]    (compile):  17,580.03 ms,  2.71 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]      compile:  26,152.06 ms,  2.71 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]        image:   3,288.43 ms,  2.70 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]        write:   1,904.64 ms,  2.70 GB
[quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner:25]      [total]:  67,414.16 ms,  2.70 GB
[WARNING] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildStep] objcopy executable not found in PATH. Debug symbols will not be separated from executable.
[WARNING] [io.quarkus.deployment.pkg.steps.NativeImageBuildStep] That will result in a larger native image with debug symbols embedded in it.
[INFO] [io.quarkus.deployment.QuarkusAugmentor] Quarkus augmentation completed in 74739ms
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] BUILD SUCCESS
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] Total time:  01:21 min
[INFO] Finished at: 2021-04-17T08:06:47+08:00
[INFO] ------------------------------------------------------------------------

假如構建時出現類似 Caused by: java.lang.RuntimeException: Image generation failed. Exit code was 137 which indicates an out of memory error. Consider increasing the Xmx value for native image generation by setting the "quarkus.native.native-image-xmx" property 這種報錯。需要調整下 Docker 的設置,比如筆者使用的 macOS,打開 Docker Desktop > Preference > Resource > Advanced,將內存從默認的 2GB 調大,比如 8GB。

從構建日誌可以看出,構建的過程是在 quay.io/quarkus/ubi-quarkus-native-image 的容器中完成的。雖然異常提示調整 “quarkus.native.native-image-xmx” ,其實是容器內存太小導致的。

構建成功後,可以在 target 中找到 quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner 。這是一個可執行文件,大小為 28MB。

嘗試執行該文件,收到 zsh: exec format error: ./target/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner 錯誤。因為這是一個 Linux 可執行文件,因此我們需要在容器中運行。

構建本機鏡像

在源文件的 src/main/docker 目錄中,我們可以找到 Dockerfile.native

FROM registry.access.redhat.com/ubi8/ubi-minimal:8.3
WORKDIR /work/
RUN chown 1001 /work \
    && chmod "g+rwX" /work \
    && chown 1001:root /work
COPY --chown=1001:root target/*-runner /work/application

EXPOSE 8080
USER 1001

CMD ["./application", "-Dquarkus.http.host=0.0.0.0"]

運行鏡像

本地運行一下,可以看出啟動只需要 0.013s

docker run --rm -p 8080:8080 quarkus/quarkus-getting-started:latest
__  ____  __  _____   ___  __ ____  ______
 --/ __ \/ / / / _ | / _ \/ //_/ / / / __/
 -/ /_/ / /_/ / __ |/ , _/ ,< / /_/ /\ \
--\___\_\____/_/ |_/_/|_/_/|_|\____/___/
2021-04-17 00:22:27,146 INFO  [io.quarkus] (main) quarkus-getting-started 1.0.0-SNAPSHOT native (powered by Quarkus 1.13.0.Final) started in 0.013s. Listening on: http://0.0.0.0:8080
2021-04-17 00:22:27,147 INFO  [io.quarkus] (main) Profile prod activated.
2021-04-17 00:22:27,147 INFO  [io.quarkus] (main) Installed features: [cdi, resteasy]

測試一下端點:

http :8080/hello/greeting/quarkus
HTTP/1.1 200 OK
Content-Length: 14
Content-Type: text/plain;charset=UTF-8

Hello, quarkus

看下鏡像的信息,大小為 132MB,其中 base 鏡像 ubi-minimal 就佔了 103 MB。感覺還是有點大,是否繼續精簡一下?

docker images
REPOSITORY                                    TAG             IMAGE ID       CREATED          SIZE
quarkus/quarkus-getting-started               latest          8f86f5915715   4 minutes ago    132MB
registry.access.redhat.com/ubi8/ubi-minimal   8.3             604ddd554fec   2 weeks ago      103MB

鏡像瘦身

src/main/docker 中還有個名為 Dockerfile.native-distroless 的Dockerfile,裏面使用了 quay.io/quarkus/quarkus-distroless-image:1.0 作為 base 鏡像

使用這個Dockerfile進行構建,得到的鏡像就小很多,只有 51MB:

docker images
REPOSITORY                                    TAG          IMAGE ID       CREATED          SIZE
quarkus/quarkus-getting-started               distroless   6fe27dd44e86   33 seconds ago   51MB
quarkus/quarkus-getting-started               ubi          8f86f5915715   27 minutes ago   132MB
quay.io/quarkus/quarkus-distroless-image      1.0          062663862a83   6 days ago       21.3MB
registry.access.redhat.com/ubi8/ubi-minimal   8.3          604ddd554fec   2 weeks ago      103MB

運行成功:

docker run --rm -p 8080:8080 quarkus/quarkus-getting-started:distroless
__  ____  __  _____   ___  __ ____  ______
 --/ __ \/ / / / _ | / _ \/ //_/ / / / __/
 -/ /_/ / /_/ / __ |/ , _/ ,< / /_/ /\ \
--\___\_\____/_/ |_/_/|_/_/|_|\____/___/
2021-04-17 00:51:26,070 INFO  [io.quarkus] (main) quarkus-getting-started 1.0.0-SNAPSHOT native (powered by Quarkus 1.13.0.Final) started in 0.013s. Listening on: http://0.0.0.0:8080
2021-04-17 00:51:26,071 INFO  [io.quarkus] (main) Profile prod activated.
2021-04-17 00:51:26,071 INFO  [io.quarkus] (main) Installed features: [cdi, resteasy]

極致瘦身,參考了 這裏 ,我們創建 Dockerfile.native-distroless2

最終鏡像的大小為 49MB,與官方提供的 distroless base 鏡像變小了 2MB。

docker images
REPOSITORY                                    TAG           IMAGE ID       CREATED          SIZE
quarkus/quarkus-getting-started               distroless2   fe973c5ac172   3 seconds ago    49MB

前面對比,用來構建 Spring 應用的 base 鏡像 openjdk:11.0-jre-slim 已經有 220MB,這還沒算上應用的大小。即使是 openjdk:17-alpine3.13 也有 182 MB。

原文鏈接:https://atbug.com/quarkus-build-native-executable-file/

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