Java 9 AOT初探

java aot| 2017-01-16

Java 9引入了aot编译方式，能够将class文件直接编译成可执行二进制文件。目前Java 9的early access版本已经提供了编译工具，让我们来看看它的功能吧。

注意：按照JEP 295描述，目前版本的AOT，仅支持64位Linux操作系统。

jaotc使用

首先需要下载最新的Java 9（JDK），本文编写时，最新版本是Build 152。下载好的JDK只需要解压即可使用，特别注意使用前设置好PATH和JAVA_HOME两个环境变量，避免和机器上已经安装的JDK混淆。笔者安装到了$HOME/bin/jdk-9，并设置了：

export PATH=~/bin/jdk-9/bin:$PATH
export JAVA_HOME=~/bin/jdk-9

需要使用jaotc，首先需要有个测试类，首先从Hello World开始：


class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) {
                System.out.println("Hello World!");
        }
}

代码非常简单，但是在执行jaotc之前，还需要将其编译成class文件，直接使用javac即可：

$ javac HelloWorld.java

执行成功之后，会生成HelloWorld.class文件。此时直接使用java命令，已经可以正常运行这个类：

$ java HelloWorld 
Hello World!

这时，就可以基于这个class文件，通过jaotc命令将其编译成二进制文件了。

$ jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class

如果一切正常，会生成libHelloWorld.so文件。

如果出现类似Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: /home/babydragon/bin/jdk-9/lib/libjelfshim.so: libelf.so.1: 无法打开共享对象文件: 没有那个文件或目录的错误，是因为jaotc需要依赖libelf动态链接库来创建elf文件（最终生成的libHelloWorld.so文件是一个静态链接的elf文件）。笔者使用的是Gentoo系统，需要安装dev-libs/elfutils包，以提供libelf.so这个动态连接库。安装之后可以通过ldd命令进行确认：

$ ldd $JAVA_HOME/lib/libjelfshim.so
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffd001f3000)
        libelf.so.1 => /usr/lib64/libelf.so.1 (0x00007f25ea2ce000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f25e9f35000)
        libz.so.1 => /lib64/libz.so.1 (0x00007f25e9d1d000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x0000562318d51000)

前面通过jaotc命令成功生成了libHelloWorld.so。虽然命令里面参照JEP 295的示例将生成的文件后缀设置成了so，但如果使用ldd命令查看，会发现它其实是一个静态链接库：

$ ldd libHelloWorld.so 
        statically linked

通过nm命令，可以看见代码段中的函数入口：

$ nm libHelloWorld.so
0000000000002420 t HelloWorld.()V
0000000000002520 t HelloWorld.main([Ljava/lang/String;)V

最后，需要执行时需要通过参数-XX:AOTLibrary参数指定需要加载的经过aot预编译好的共享库文件：

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld

注意：虽然已经将整个HelloWorld类都通过jaotc编译成共享库文件，运行时仍然需要依赖原有的HelloWorld.class文件。

此时执行的输出，和之前不使用AOT的输出完全相同。

来把大的——将java.base模块编译成AOT库

JEP 295中已经说明，在Java 9初始发布的时候，只保证java.base模块可以被编译成AOT库。

继续参照JEP 295，创建java.base-list.txt文件，内容主要是排除一些编译有问题的方法，具体内容参照原文。

然后执行命令：

jaotc -J-XX:+UseCompressedOops -J-XX:+UseG1GC -J-Xmx4g --compile-for-tiered --info --compile-commands java.base-list.txt --output libjava.base-coop.so --module java.base

在笔者的机器上（i7-6600U + 16G内存 + 256G NVMe SSD），排除上述方法之后，编译时间大约为9分多钟。

48878 methods compiled, 4 methods failed (497771 ms)
Parsing compiled code (1126 ms)
Processing metadata (15811 ms)
Preparing stubs binary (0 ms)
Preparing compiled binary (104 ms)
Creating binary: libjava.base-coop.o (5611 ms)
Creating shared library: libjava.base-coop.so (7306 ms)
Total time: 542536 ms

完成之后，就可以使用AOT版本的java.base模块：

java -XX:AOTLibrary=java_base/libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld

同样，针对AOT，jvm也新增了参数打印哪些方法是通过加载AOT预编译库执行。

java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=java_base/libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld

输出可以和不使用java.base的AOT进行比较，发现不使用java.base的AOT库，只能会加载libHelloWorld.so中对应的方法。

$ java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld
     11    1     loaded    ./libHelloWorld.so  aot library
    105    1     aot[ 1]   HelloWorld.()V
    105    2     aot[ 1]   HelloWorld.main([Ljava/lang/String;)V
Hello World!

$ java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=java_base/libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld
     13    1     loaded    java_base/libjava.base-coop.so  aot library
     13    2     loaded    ./libHelloWorld.so  aot library
[Found  [Z  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [C  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [F  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [D  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [B  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [S  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [I  in  java_base/libjava.base-coop.so]
[Found  [J  in  java_base/libjava.base-coop.so]
     31    1     aot[ 1]   java.lang.Object.()V
     31    2     aot[ 1]   java.lang.Object.finalize()V
...

输出太长，节选部分输出，我们可以看见java基础类及其方法都通过AOT的方式进行加载。

实用吗？

目前AOT的局限有：

仅支持64位Linux操作系统：这个问题不是很大，毕竟大部分线上服务器都能够满足；
操作系统需要预装libelf库，以确保能够生成elf文件：这个问题也不大，仅生成时需要；
AOT编译和执行环境需要相同：毕竟是二进制文件，引入了平台相关性；
Java 9最初发布时，只支持java.base模块可以编译成AOT库；
目前只支持G1和Parallel GC两种GC方式：前面没有提到，AOT编译时的JVM参数和运行时需要相同，也包括GC方式，也就是说如果用了AOT，JVM实际运行时也只能使用这两种GC方式之一；
可能会无法编译通过动态生成class文件或者修改字节码的java代码（如lambda表达式、反射调用等）：这个可能会比较坑，后面会讲到；
JVM运行时参数设置必须和AOT库编译时相同；

AOT可能带来的好处，是JVM加载这些已经预编译成二进制库之后，可以直接调用，而无需再将其运行时编译成二进制码。理论上，AOT的方式，可以减少JIT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”感觉。

不过，本文使用的HelloWorld过于简单，无法通过对比得出AOT是否可以减少JVM初始化时间。笔者尝试对一个小型springboot应用进行AOT化，但是springboot框架本身无法在Java 9中运行。同时直接对spring-core的jar包执行jaotc也因为各种依赖问题而失败。

经过各种尝试，目前Java 9的AOT功能还处于很初步的阶段：