Graalvm配置文件与Feature和Substitute机制介绍

GraalVM介绍

GraalVM提前将Java应用程序编译成独立与机器码二进制文件（可执行文件、动态库文件）,如windows系统中的exe文件和dll文件。与在Java虚拟机（JVM）上运行的应用程序相比，这些二进制文件更小，启动速度快100倍，在没有预热的情况下提供峰值性能，并且使用更少的内存和CPU。

下面只介绍开发中与Graalvm相关的配置文件和扩展点（Feature和Substitute机制）以及maven插件配置。

1. 配置文件

1.1 动态代码配置文件

对于动态代码，需要通过指定的json文件来描述其metadata，这样GraalVM才能正确的编译和优化代码。如下类型

• 反射，配置文件名：reflect-config.json
• 动态代理， 配置文件名：proxy-config.json
• 资源文件, 配置文件名：resource-config.json
• JNI, 配置文件名：jni-config.json，配置被JNI代码调用的java方法，可见jni-lib模块
• 资源序列化, 配置文件名：serialization-config.json
• predefined classes, 配置文件名：predefined-classes-config.json

这些JSON文件内容格式可见github: graalvm json file schema

1.2 命令参数配置文件

graalvm推荐开发者为自己的项目提供文件名为native-image.properties的配置文件，在该配置文件中可指定native-image编译分析所需要的配置，在properties文件中，支持如下key：

1. Args 配置native-image命令参数，如–feature指定扩展的Feature接口、–initialize-at-build-time指定编译时初始化的类。更多命令行选项见Command-line Options
2. JavaArgs 配置native-image执行时的JVM参数
3. ImageName 配置最后生成的可执行文件名称

关于native-image.properties的内容更多具体的可见文档Native Image Build Configuration

1.3 存放位置

配置文件都存放在项目jar文件的META-INF/native-image/目录下，native-image会自动加载该目录下的文件。如：

META-INF/
└── native-image└── native-image.properties└── reflect-config.json└── jni-config.json

为了防止多个jar文件内的配置冲突，graalvm推荐在META-INF/native-image/目录下新建以你项目的groupId/artifactID为子目录，如：

META-INF/
└── native-image└── groupID└── artifactID└── native-image.properties└── reflect-config.json└── jni-config.json

2. 动态代码配置示例

2.1 反射

1. 类所有方法都可以用于反射，reflect-config.json配置如下

[{"name": "com.example.User","allDeclaredConstructors": true,"allPublicMethods": true,"allDeclaredFields": true}
]

2. 类中指定方法和字段可用于反射，配置示例如下

[{"name": "com.example.User","fields": [{"name": "name"}],"methods": [{"name": "<init>","parameterTypes": []},{"name": "setName","parameterTypes": ["java.lang.String"]}]}
]

2.2 动态代理

1. 假设接口com.example.IPrintServic会用于动态代理，proxy-config.json配置示例如下

[{"interfaces": ["com.example.IPrintService"]}
]

2.3 资源文件

假设有如下代码用于加载类路径下的资源

try(InputStream stream = this.getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(“resource_config.properties”)) {//读取资源内容
} 

resource-config.json配置示例如下

{"resources": {"includes": [{"pattern": "\\Qresource_config.properties\\E"}]}
}

说明： 上面pattern属性值为正则表达式，字符\Q和\E之间的内容在正则表达式中表示字面量，即对其中的特殊字符进行原始匹配，比如上面的.不是匹配任意字符，而就是匹配字符串中的.。

2.4 类序列化

如果项目中类com.example.User使用了JDK的序列化方式，则其serialization-config.json配置示例如下

[{"name": "com.example.User"}
]

2.5 JNI中调JAVA API

如果JNI代码中有调com.example.Utils类的public static int add(int,int)方法，则jni-config.json配置示例如下

[
{"name":"com.example.Utils","methods":[{"name":"add","parameterTypes":["int","int"] }]
}
]

3. 扩展Feature接口

native-image生成可执行代码过程中会在关键步骤执行用户自定义代码，而用户代码的执行是通过graalvm的Feature机制实现的，开发者可以实现Feature接口来为程序设置一些特定行为，比如通过编码的方式设置以上动态代码配置。

示例

示例需求： 为com.example包下注解了@Reflect注解的类注册反射配置

1. 实现Feature接口

public class ReflectFeature implements Feature {@Overridepublic void beforeAnalysis(BeforeAnalysisAccess access) {// 注册元数据try (ScanResult graph = new ClassGraph().overrideClassLoaders(access.getApplicationClassLoader()).overrideClasspath(access.getApplicationClassPath()).enableAllInfo().acceptPackages("com.example").scan()) {graph.getClassesWithAnnotation(Reflect.class).forEach(classInfo -> {Class clazz = classInfo.loadClass();RuntimeReflection.register(clazz);RuntimeReflection.registerForReflectiveInstantiation(clazz); // 可通过newInstance()方法创建，与allDeclaredConstructors=true类似RuntimeReflection.register(clazz.getDeclaredFields()); // allDeclaredFields=true类似RuntimeReflection.register(clazz.getDeclaredMethods());// allPublicMethods=true类似});}}
}

注：以上包扫描使用classgraph工具，它与其它反射工具相比优势在于它是直接解析字节码来进行匹配的，好处就是不用把类加载到JVM中。classgraph的maven配置如下：

<dependency><groupId>io.github.classgraph</groupId><artifactId>classgraph</artifactId><version>4.8.173</version>
</dependency>

2. 注册自定义的com.example.feature.ReflectFeature接口
   有两种方式，
   1. 方式一：在native-image命令行使用参数配置--features=com.example.feature.ReflectFeature指定
   2. 方式二：推荐在native-image.properties文件配置，内容如下

    Args = --features=com.st.graalvm.feature.StepTrackFeature
   

4. Substitute机制

Substitute替换机制使得可以在不修改源代码的前提下，对运行时行为进行适配改造，以保持对原API的兼容。 GraalVM本身也通过该机制对JDK API做了很多兼容性替换。

基于该机制，开发者也可以根据实际需求对一些类、方法、字段甚至是构造函数在native-image编译过程中进行替换。

替换通过注解来实现，native-image编译过程会扫描这些特定注解的类，替换类必须为final类型，命名格式推荐为Target_{原类包名}_{原类名}。
替换机制提供的注解如下

1. @TargetClass 注解替换类，其value值为被替换类

2. @Substitute 注解替换方法，被注解的方法在方法名和签名上需与目标方法一致

3. @Alias 注解在替换字段上，被注解的字段在名称和签名上需与目标字段一致，

   1. 搭配**@InjectAccessors**注解可拦截字段的get和set方法，示例如下

    @Alias @InjectAccessors(Target_OriginClass_Version_value.class)
   private static String version;
   static class Target_OriginClass_Version_value {private static String versionValue;static String getVersion() {if (versionValue == null) {versionValue = "44444444L_substitute";}return versionValue;}static void setVersion(String value) {System.out.println("setVersion:"  + value);}
   }
   

   2. 搭配**@RecomputeFieldValue**注解可替换字段的值，示例如下

   // 替换静态字段，需设置isFinal=true
   @Alias @RecomputeFieldValue(kind = Kind.FromAlias, isFinal = true)
   private static boolean useNative = true;
   // 替换字段
   @Alias @RecomputeFieldValue(kind = Kind.FromAlias)
   private boolean inited = true;
   

4. @Inject 注解在替换类的字段上，该字段在被替换类中不存在，需搭配@RecomputeFieldValue注解，示例如下

@TargetClass(OriginClass.class)
public final class Target_com_example_OriginClass {// 替换并设置字段值@Alias @InjectAccessors(Target_OriginClass_Type_value.class)private TypeEnum type;@Inject @RecomputeFieldValue(kind = Kind.Reset)private TypeEnum typeValue;static class Target_OriginClass_Type_value {static TypeEnum getType(Target_OriginClass receiver) {if (receiver.typeValue == null) {receiver.typeValue = TypeEnum.SUBSTITUTE;}return receiver.typeValue;}static void setType(Target_OriginClass receiver, TypeEnum value) {receiver.typeValue = value;}}
}

5. maven编译打包配置

<plugin><groupId>org.graalvm.buildtools</groupId><artifactId>native-maven-plugin</artifactId><version>0.10.2</version><extensions>true</extensions><executions><execution><id>build-native</id><goals><goal>compile-no-fork</goal></goals><phase>package</phase></execution><execution><id>test-native</id><goals><goal>test</goal></goals><phase>test</phase></execution></executions><configuration><imageName>${project.artifactId}</imageName><sharedLibrary>false</sharedLibrary><metadataRepository><enabled>true</enabled></metadataRepository></configuration>
</plugin>

6. 其它特性

1. 创建动态库供C/C++，可见文档Build a Native Shared Library
2. JAVA代码可以直接调动态库接口，不过java代码需要经过native-image编译后才能运行
3. 创建JNI接口，在之前JNI接口实现都是C/C++编写，使用native-image可以直接使用JAVA来编写JNI接口实现，可见文档JNI Invocation API
4. 与其它语言集成（包含的语言有JS/Node.js、Python、R、Ruby、WebAssembly、LLVM语言），在Truffle基础上实现，可见文档Embedding Languages

工具

1. 使用native-image-agent代理库生成metadata文件

如果不清楚应用中有哪些动态代码需要提供配置，可以使用graalvm提供native-image-agent来跟踪代码执行情况来生成metadata文件，只需要在java启动参数中加上-agentlib:native-image-agent参数即可，命令示例如下

java -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=graalvm -jar graalvm-1.0-SNAPSHOT.jar

总结

1. Java语言的动态特性阻碍了native-image静态分析和编译，开发者需要提供相应的配置文件native-image才能完整的识别出需要静态编译的代码。
2. Feature机制和替换机制为开发者提供了在编译期间尽可能多的控制
3. 通过native-image不仅可以把应用编译为可执行文件，也可以把公共库编译为动态库供其它语言调用，还可以把公共库通过JNI接口暴露给其它java程序使用。