GraalVM系列Native Image Basics静态分析

时间:2023-03-20 Hoeller 人气:0

引言

native image是GraalVM中提供的一个命令，可以把字节码文件或Jar包编译成为一个二进制可执行文件，同时它自己也是用Java语言开发的（实现了Java的语言自举）。

Build Time vs Run Time

native image在编译时，可能会执行类中的某些代码，比如给类中的static属性赋值（正常来说应该时运行时才去赋值的，现在是编译时可能就被赋值了，这里说的编译不是javac）。

通常，在Java中，一个类在第一次被使用时才会进行初始化，但是我们使用native image时就有可能直接进行类的初始化，我们把这个机制叫做build-time initialized，而二进制可执行文件在运行时，即便是第一次使用这个类时也都不会触发类的初始化了。

默认情况下native image是不会执行编译期类初始化的，我们可以通过两种方式来在编译时触发类的初始化：

在执行native-image时传入--initialize-at-build-time=<class>
在一个能编译时初始化的类中去使用其他的类

native image会把常用的JDK中的类在编译时进行初始化，比如java.lang.String，java.util.**，等等。

编译期类的初始化是一个专业特征，并不是所有类都适合。

请看下面的Demo加深理解：

public class HelloWorld {
    static class Greeter {
        static {
            System.out.println("Greeter is getting ready!");
        }
        public static void greet() {
          System.out.println("Hello, World!");
        }
    }
  public static void main(String[] args) {
    Greeter.greet();
  }
}

使用Java原本的方式编译并运行：

javac HelloWorld.java
java HelloWorld 
Greeter is getting ready!
Hello, World!

然后，我们把它编译为一个本地可执行文件，然后执行这个文件：

native-image HelloWorld
===============================================================
GraalVM Native Image: Generating 'helloworld' (executable)...
================================================================
...
Finished generating 'helloworld' in 14.9s.

./helloworld 
Greeter is getting ready!
Hello, World!

我们发现，上述两个过程都是在运行时才会对HelloWorld类进行初始化，所以默认情况下不会进行类的初始化。

我们通过添加--initialize-at-build-time=HelloWorld\$Greeter来看看编译期类初始化是怎样的：

native-image HelloWorld --initialize-at-build-time=HelloWorld\$Greeter
======================================================================
GraalVM Native Image: Generating 'helloworld' (executable)...
======================================================================
Greeter is getting ready!
...
Finished generating 'helloworld' in 13.6s.

./helloworld 
Hello, World!

我们发现Greeter is getting ready!是在编译时打印出来的，而真正在运行时由于HelloWorld类已经被初始化了，所以就没有再初始化了。而在编译时类初始化过程中被赋值的静态属性，会保存在二进制可执行文件中的image heap中。

Native Image Heap

Native Image heap也可以叫做image heap，它包含了：

在编译时创建出来的对象
在二进制文件中使用到的类对象（Class对象）
嵌入在方法中的对象常量

可以通过编译时类初始化把一个对象放入image heap中：

class Example {
    private static final String message;
    static {
        message = System.getProperty("message");
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World! My message is: " + message);
    }
}

正常用java运行：

javac Example.java
java -Dmessage=hi Example
Hello, World! My message is: hi

java -Dmessage=hello Example 
Hello, World! My message is: hello

java Example
Hello, World! My message is: null

而如果使用编译期类初始化：

native-image Example --initialize-at-build-time=Example -Dmessage=native
========================================================================
GraalVM Native Image: Generating 'example' (executable)...
========================================================================
...
Finished generating 'example' in 19.0s.

./example 
Hello, World! My message is: native

./example -Dmessage=aNewMessage
Hello, World! My message is: native

Example类的初始化在编译期被执行了，并且会创建一个String对象赋值给message属性，并且把它存进了image heap中，运行的时候就直接从image heap中拿出来用了，忽略了运行时指定的-Dmessage

静态分析

native image在执行时，会先进行静态分析，静态分析会扫描出当前应用程序中真正用到了哪些类、方法、属性（其实通常我们一个应用中很多类，特别是依赖的第三方Jar包中的类，是没有被应用程序使用的），这些元素称之为reachable code。

静态分析包含两个部分：

扫描一个方法的字节码（比如main方法），找到它可达的其他元素
从native image heap中的对象开始扫描，找到其他可达的元素

只有可达元素才能包含到二进制可执行文件中，一个二进制可执行文件编译出来后，运行过程中就不能再有新元素被添加进去了，比如动态类加载，我们把这个叫做closed-world。

官网原文 https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/basics/

加载全部内容