应“云”而生的 Java 框架：构建本机可执行文件
电影《功夫》中，火云邪神有句话：“天下武功无坚不摧，唯快不破。”
在 上一篇文章 中，我们写了第一个 Quarkus 应用，并尝试着构建了 legacy-jar 和 fast-jar。
今天来看一下 Quarkus 构建出来的本机可执行文件到底比 Spring 应用能快多少，生态的成熟度不在这里讨论。
TLDR
先上结论， 与只有一个 Controller 的Spring Web 应用做下对比。
应用启动时间：0.012s vs 2.294s
镜像大小：49MB vs 237 MB
Spring 应用镜像使用 openjdk:11.0-jre-slim 作为 base 镜像，大小为 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 应用容器化的困境
云原生世界中，应用容器化是个显著的特点。Java 应用容器化时面临了如下问题：
- 应用启动慢：其实这是 Java 应用的问题。Java 应用占用内存多；JVM 虚拟机启动时需要做环境的初始化、预加载大量的类、初始化线程等等。启动耗时视应用情况需要几秒，甚至可达分钟级。较长的启动耗时，也抑制了水平伸缩性。即使在 Serverless 这种响应耗时要求不高的场景，也会被嫌弃。
- 镜像过大：其实使用了镜像的分层设计，常见的一个 SpringCloud 应用的 über-jar 包可能都有 7、80MB。
- 空间占用：虽然用了镜像分层，但积少成多，也会增加存储成本。
Quarkus 与本机映像（native image）
Quarkus 的开发遵从了容器优先的原则：
- 支持 Graal/SubstrateVM
- 构建时处理元数据
- 减少反射的使用
- 本机映像预启动
本机映像是将 Java 代码提前编译为可执行文件（称为本机映像）的技术。该可执行文件包括应用程序类、其依赖项中的类、运行时库类以及 JDK 中的静态链接本机代码。它不是在 Java VM 上运行，而是包括必要的组件，例如内存管理，线程调度等，这些组件来自另一个运行时系统 “Substrate VM”。“Substrate VM” 是运行时组件（例如反优化器，垃圾收集器，线程调度等）的名称。与 JVM 相比，生成的程序具有更快的启动时间和更低的运行时内存开销。
如何构建本机映像
配置 GraalVM
之前我们使用了 sdkman 进行 GraalVM 安装。设置 GRAALVM_HOME 环境变量：
export GRAALVM_HOME=`sdk home java 21.0.0.2.r11-grl`
使用 gu 安装 native-image：
${GRAALVM_HOME}/bin/gu install native-image
构建本机可执行文件
在源码的 pom.xml 中，我们可以看到如下的 profile：
<profiles>
<profile>
<id>native</id>
<properties>
<quarkus.package.type>native</quarkus.package.type>
</properties>
</profile>
</profiles>
我们使用这个 profile 进行本机可执行文件的构建，整个构建耗时 几分钟 。
./mvnw package -Pnative
部分构建日志：
[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] ------------------------------------------------------------------------
假如构建时出现类似
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这种报错。需要调整下 Docker 的设置，比如笔者使用的 macOS，打开 Docker Desktop > Preference > Resource > Advanced，将内存从默认的 2GB 调大，比如 8GB。从构建日志可以看出，构建的过程是在
quay.io/quarkus/ubi-quarkus-native-image的容器中完成的。虽然异常提示调整 “quarkus.native.native-image-xmx” ，其实是容器内存太小导致的。
构建成功后，可以在 target 中找到 quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner。这是一个可执行文件，大小为 28MB。
尝试执行该文件，收到 zsh: exec format error: ./target/quarkus-getting-started-1.0.0-SNAPSHOT-runner 错误。因为这是一个 Linux 可执行文件，因此我们需要在容器中运行。
构建本机镜像
在源文件的 src/main/docker 目录中，我们可以找到 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"]
运行镜像
本地运行一下，可以看出启动只需要 0.013s。
docker run --rm -p 8080:8080 quarkus/quarkus-getting-started:latest
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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]
测试一下端点：
http :8080/hello/greeting/quarkus
HTTP/1.1 200 OK
Content-Length: 14
Content-Type: text/plain;charset=UTF-8
Hello, quarkus
看下镜像的信息，大小为 132MB，其中 base 镜像 ubi-minimal 就占了 103 MB。感觉还是有点大，是否继续精简一下？
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
镜像瘦身
在 src/main/docker 中还有个名为 Dockerfile.native-distroless 的Dockerfile，里面使用了 quay.io/quarkus/quarkus-distroless-image:1.0 作为 base 镜像
使用这个Dockerfile进行构建，得到的镜像就小很多，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
运行成功：
docker run --rm -p 8080:8080 quarkus/quarkus-getting-started:distroless
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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]
极致瘦身，参考了这里，我们创建 Dockerfile.native-distroless2。
最终镜像的大小为 49MB，与官方提供的 distroless base 镜像只小了 2MB。
docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
quarkus/quarkus-getting-started distroless2 fe973c5ac172 3 seconds ago 49MB
前面对比，用来构建 Spring 应用的 base 镜像 openjdk:11.0-jre-slim 已经有 220MB，这还没算上应用的大小。即使是 openjdk:17-alpine3.13 也有 182 MB。
NEXT
下一回，我们试试 Quarkus 在 ArgoCD 中的应用，看下 Serverless 上的使用体验如何。
