2018年5月，GraalVM 1.0 正式发布。本文可以理解为 GraalVM 的入门指南。

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一、GraalVM 简介

GraalVM 是一个高性能的运行时环境，由 Oracle Labs 开发。它不仅仅是一个 JVM，更是一个“通用虚拟机”，支持运行多种语言（Java, JavaScript, Python, Ruby, R, LLVM-based languages 等），并提供了革命性的 Native Image 技术，可以将 Java 应用程序提前编译（AOT – Ahead-Of-Time）为独立的、启动极快、内存占用低的本地可执行文件。

核心优势：

1. 高性能： GraalVM 的 JIT 编译器（Graal Compiler）一般能生成比传统 HotSpot C2 编译器更优的机器码。
2. 多语言支持 (Polyglot)： 在同一个运行时中无缝混合使用多种语言。
3. 原生镜像 (Native Image)： 将 Java 应用编译成本地可执行文件，实现：
4. 极速启动 (毫秒级)
5. 极低内存占用
6. 更小的分发体积 (无需捆绑完整 JVM)
7. 更高的安全性 (减少攻击面)
8. 工具链： 提供强劲的监控、调试和分析工具 (GraalVM Dashboard, Ideal Graph Visualizer 等)。

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二、安装 GraalVM

1. 下载

访问 GraalVM 官网下载页面：https://www.graalvm.org/downloads/

• 选择版本：
• GraalVM Community Edition (CE)： 开源免费，适合大多数用户和生产环境。
• GraalVM Enterprise Edition (EE)： 商业版，提供额外的性能优化、安全更新和技术支持。
• 选择 Java 版本： 一般选择与你项目兼容的版本（如 Java 17, Java 21）。
• 选择操作系统： Linux, macOS, Windows。
• 选择架构： x86_64, aarch64 (ARM64)。

2. 安装

• Linux/macOS:
• 下载 .tar.gz 文件。
• 解压到你希望安装的目录（例如 ~/graalvm/ 或 /opt/graalvm/）。

tar -xzf graalvm-community-jdk-<version>_<os>-<arch>.tar.gz -C /path/to/install/dir

• 设置 JAVA_HOME 环境变量指向 GraalVM 目录。

export JAVA_HOME=/path/to/install/dir/graalvm-<version>
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH

• (可选但推荐) 使用 gu (GraalVM Updater) 安装你需要的额外组件（如 native-image, Python, R, Ruby, LLVM 工具链等）：

# 查看可用组件
gu available
# 安装 native-image (Native Image 编译器)
gu install native-image
# 安装其他语言支持 (例如 Python)
gu install python

• Windows:
• 下载 .zip 文件。
• 解压到你希望安装的目录（例如 C:Program FilesGraalVM）。
• 设置 JAVA_HOME 环境变量指向 GraalVM 目录（例如 C:Program FilesGraalVMgraalvm-<version>）。
• 将 %JAVA_HOME%in 添加到系统 PATH 环境变量中。
• (可选但推荐) 使用 gu.cmd 安装组件：

gu.cmd available
gu.cmd install native-image
gu.cmd install python

3. 验证安装

打开终端或命令提示符：

# 检查 Java 版本和供应商
java -version
# 输出应包含 "GraalVM" 字样

# 检查 gu (GraalVM Updater) 是否可用
gu list
# 列出已安装的组件

# 如果安装了 native-image，检查其版本
native-image --version

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三、使用 GraalVM 作为标准 JVM

安装完成后，你可以像使用普通 JDK 一样使用 GraalVM 来编译和运行 Java 应用。GraalVM 默认使用其高性能的 Graal JIT 编译器。

# 编译 Java 文件
javac HelloWorld.java

# 运行 Java 程序 (使用 Graal JIT)
java HelloWorld

启用 Graal JIT 编译器 (如果默认未启用):

在较新版本的 GraalVM CE 中，Graal JIT 一般是默认的。如果需要显式启用或在其他 JVM 上使用 Graal JIT，可以添加 JVM 参数：

java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler HelloWorld

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四、Native Image (原生镜像) – 核心功能

这是 GraalVM 最引人注目的特性。它将 Java 字节码 AOT 编译成本地机器码。

1. 基本使用

假设你有一个简单的 Java 类 HelloWorld.java：

// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, GraalVM Native Image!");
    }
}

步骤：

1. 编译成字节码：

javac HelloWorld.java

2. 生成原生可执行文件：

native-image HelloWorld

3. 这会生成一个名为 helloworld (Linux/macOS) 或 helloworld.exe (Windows) 的可执行文件。
4. native-image 工具会分析 HelloWorld.class，找出所有可达的代码（包括依赖的 JDK 类），并将其编译成本地代码。这个过程称为 构建时 (Build Time)。
5. 运行原生可执行文件：

./helloworld  # Linux/macOS
helloworld.exe # Windows

6. 你会立即看到输出，启动速度极快！

2. Native Image 关键概念与配置

• 封闭世界假设 (Closed World Assumption): Native Image 在构建时需要知道应用程序运行时可能执行的所有代码路径。它通过静态分析来确定“可达性”。这意味着：
• 反射 (Reflection)、动态代理 (Dynamic Proxy)、JNI、序列化 (Serialization) 等动态特性需要显式配置，由于静态分析无法预测它们。
• 资源文件 (Resources) 也需要显式配置才能被打包进原生镜像。
• 配置文件 (Configuration Files): 一般放在 META-INF/native-image/ 目录下（相对于 classpath 根目录）。
• reflect-config.json: 配置反射访问的类、方法、字段。
• resource-config.json: 配置需要包含的资源文件。
• serialization-config.json: 配置序列化。
• jni-config.json: 配置 JNI。
• proxy-config.json: 配置动态代理。
• native-image.properties: 配置默认的 native-image 构建参数。
• 生成配置文件 (推荐方式): 手动编写配置文件很繁琐且容易出错。GraalVM 提供了 Tracing Agent 来自动生成大部分配置。
• 使用普通 JVM (GraalVM 或其他) 运行你的应用，并附加 Agent：

java -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=META-INF/native-image -jar your-app.jar
# 或者对于类
java -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=META-INF/native-image HelloWorld

• 充分执行你的应用程序，触发所有你希望在原生镜像中支持的代码路径（包括反射、资源访问等）。
• Agent 会在 META-INF/native-image/ 目录下生成相应的 *-config.json 文件。
• 将这些配置文件打包进你的 JAR 文件或放在 classpath 中。
• 再次运行 native-image 命令，它会自动读取这些配置。
• 常用 native-image 参数：
• -H:Name=<output_name>: 指定输出文件名。
• -cp <classpath> / -jar <jarfile>: 指定 classpath 或 JAR 文件。
• –no-fallback: 如果构建失败（例如由于无法解析反射），直接报错而不是回退到包含完整的 JVM。强烈提议在 CI/CD 中使用此选项以确保构建的可靠性。
• –verbose: 输出详细构建信息。
• -D<key>=<value>: 传递系统属性给构建过程（注意：不是运行时！）。
• –initialize-at-build-time=<class/package>: 在构建时初始化指定的类或包（提高启动速度，但需确保安全）。
• –initialize-at-run-time=<class/package>: 强制在运行时初始化指定的类或包（解决构建时初始化导致的问题）。
• –enable-url-protocols=http,https: 启用特定的 URL 协议处理器。
• –enable-preview: 启用 JDK 预览特性（如果使用）。
• –gc=<gc>: 指定垃圾回收器（如 g1, epsilon – 无 GC，适用于短生命周期应用）。

3. 与构建工具集成

• Maven:推荐使用官方插件 org.graalvm.buildtools:native-maven-plugin。

<plugin>
    <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
    <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
    <version>0.10.1</version> <!-- 请检查最新版本 -->
    <extensions>true</extensions>
    <configuration>
        <!-- 可选配置 -->
        <imageName>my-app</imageName>
        <buildArgs>
            <arg>--no-fallback</arg>
            <arg>--verbose</arg>
        </buildArgs>
    </configuration>
</plugin>

构建命令：

构建命令：

• Gradle:推荐使用官方插件 org.graalvm.buildtools.native。

plugins {
    id 'org.graalvm.buildtools.native' version '0.10.1' // 请检查最新版本
}

graalvmNative {
    binaries {
        main {
            imageName = 'my-app'
            buildArgs.add('--no-fallback')
            buildArgs.add('--verbose')
            // 其他配置...
        }
    }
}

构建命令：

# 生成配置 (可选)
./gradlew run --args='--agentlib:native-image-agent=config-output-dir=src/main/resources/META-INF/native-image'
# 构建原生镜像
./gradlew nativeCompile

4. Native Image 限制与挑战

• 动态特性支持： 反射、动态类加载、JNI 等需要额外配置，增加了复杂性。
• 构建时间长： AOT 编译过程比普通 JVM 启动慢得多，尤其是在大型项目中。
• 构建内存消耗大： Native Image 构建过程可能消耗大量内存。
• 平台依赖： 生成的原生镜像是平台特定的（Linux 生成的不能在 Windows 运行）。需要为每个目标平台单独构建。
• 调试困难： 调试原生镜像比调试 JVM 上的 Java 应用更复杂（虽然 GraalVM 也在改善工具支持）。
• 某些库不兼容： 并非所有 Java 库都能无缝工作在 Native Image 下，尤其是那些重度依赖动态特性的库（如某些 ORM、依赖注入框架的旧版本）。不过，主流框架（Spring Boot 3+, Quarkus, Micronaut, Helidon）目前都对 Native Image 提供了良好支持。

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五、多语言编程 (Polyglot)

GraalVM 允许你在同一个进程中混合使用多种语言。

1. 通过命令行

安装相应语言组件后，可以直接运行：

# 运行 JavaScript
js myscript.js

# 运行 Python (GraalPython)
graalpython myscript.py

# 运行 Ruby (TruffleRuby)
truffleruby myscript.rb

# 运行 R
Rscript myscript.R

2. 在 Java 中嵌入其他语言

使用 org.graalvm.polyglot API。

import org.graalvm.polyglot.*;

public class PolyglotExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (Context context = Context.create()) {
            // 执行 JavaScript 代码
            Value result = context.eval("js", "21 + 21");
            System.out.println(result.asInt()); // 输出: 42

            // 执行 Python 代码
            Value pyResult = context.eval("python", "def add(a, b): return a + b
add(10, 20)");
            System.out.println(pyResult.execute(10, 20).asInt()); // 输出: 30
        }
    }
}

3. 语言互操作

不同语言的对象和函数可以相互调用。

// Java 调用 JavaScript 函数
Value jsFunction = context.eval("js", "(function(x) { return x * 2; })");
int doubled = jsFunction.execute(5).asInt(); // doubled = 10

// JavaScript 调用 Java 对象
context.getBindings("js").putMember("javaObj", someJavaObject);
context.eval("js", "javaObj.someMethod();");

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六、性能监控与调试

• JVM 模式： 可以使用标准的 Java 工具（jvisualvm, jconsole, jcmd, jstack, jmap）以及 GraalVM 特有的 GraalVM Dashboard (需要安装 graalvm-dashboard 组件)。
• Native Image 模式：
• 调试： 可以生成带有调试信息的可执行文件 (-g 参数)，然后使用 gdb (Linux) 或 lldb (macOS) 进行调试。Java 堆栈跟踪信息在原生镜像中也是可用的。
• 性能分析： 可以使用标准的系统性能分析工具（如 perf (Linux), Instruments (macOS)）。GraalVM 也支持生成可用于 perf 分析的符号映射文件 (–no-debug-info 时可能需要 –enable-monitoring=heapdump,perf 等选项，具体请查阅最新文档)。

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七、最佳实践与提议

1. 从简单开始： 先用简单的 “Hello World” 体验 Native Image。
2. 善用 Tracing Agent： 这是处理反射等动态特性的最有效方法。
3. 使用 –no-fallback： 在正式构建中使用，确保构建的确定性和可靠性。
4. 关注框架支持： 选择对 Native Image 有良好支持的框架（如 Spring Boot 3+）。
5. 管理构建资源： Native Image 构建需要时间和内存，确保你的构建机器有足够的资源。
6. CI/CD 集成： 将 Native Image 构建集成到你的持续集成/持续部署流水线中。
7. 监控与日志： 确保你的应用在原生镜像中也能输出足够的日志和监控指标。
8. 查阅官方文档： GraalVM 发展迅速，官方文档（https://www.graalvm.org/docs/）是最权威和最新的信息来源。
9. 社区支持： 遇到问题时，可以查阅 Stack Overflow、GraalVM GitHub Issues 或相关社区论坛。

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八、总结

GraalVM 是一个强劲的工具，尤其其 Native Image 技术为 Java 应用在云原生、Serverless、CLI 工具等场景带来了革命性的改善（快速启动、低内存）。虽然存在一些学习曲线和限制（主要是动态特性配置），但随着生态系统的成熟（框架支持、工具完善），它正变得越来越易用和强劲。掌握 GraalVM，特别是 Native Image，将成为现代 Java 开发者的一项重大技能。

希望这份指南能协助你顺利开启 GraalVM 之旅！