Spring Boot 启动加速

教程

1、简介

本文将带你了解如何通过调整 Spring 应用的配置、JVM 参数和使用 GraalVM 原生镜像来缩短 Spring Boot 的启动时间。

2、调整 Spring 应用

首先，创建一个 Spring Boot（2.5.4）应用，添加 Spring Web、Spring Actuator 和 Spring Security 依赖。

还要添加 spring-boot-maven-plugin 插件，并配置将应用打包到 jar 文件中：

<plugin> 
    <groupId>org.springframework.boot</groupId> 
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId> 
    <version>${spring-boot.version}</version> 
    <configuration> 
        <finalName>springStartupApp</finalName> 
        <mainClass>com.baeldung.springStart.SpringStartApplication</mainClass> 
    </configuration> 
    <executions> 
        <execution> 
            <goals> 
                <goal>repackage</goal> 
            </goals> 
        </execution> 
    </executions> 
</plugin>

使用标准的 java -jar 命令运行 jar 文件，并查看应用的启动时间。

c.b.springStart.SpringStartApplication   : Started SpringStartApplication in 3.403 seconds (JVM running for 3.961)

如上，应用启动时间约为 3.4 秒。我们把这个时间作为下文调整的参考。

2.1、延迟初始化

Spring 支持延迟初始化。延迟初始化意味着 Spring 不会在启动时创建所有 Bean。此外，Spring 在需要 Bean 之前不会注入任何依赖。从 Spring Boot 2.2 版开始，就可以使用 application.properties 启用延迟始化：

spring.main.lazy-initialization=true

新建一个 jar 文件并按上例配置、启动后，新的启动时间略有改善：

 c.b.springStart.SpringStartApplication   : Started SpringStartApplication in 2.95 seconds (JVM running for 3.497)

根据代码规模的大小，延迟初始化可以显著缩短启动时间。启动时间的减少取决于应用的依赖关系。

此外，在开发过程中使用 DevTools 热重启功能时，延迟初始化也有好处。通过延迟初始化增加重启次数，JVM 可以更好地优化代码。

不过，延迟初始化也有一些缺点。最明显的缺点是应用处理第一个请求的速度会变慢，因为 Spring 需要时间来初始化所需的 Bean。另一个缺点是可能会在启动时错过一些错误。这可能会在运行时导致 ClassNotFoundException。

2.2、排除不必要的自动配置

Spring Boot 的理念是约定大于配置。Spring 可能会初始化应用并不需要的 Bean。我们可以通过启动日志检查所有自动配置的 Bean。

在 application.properties 中将 org.springframework.boot.autoconfigure 的日志级别设置为 DEBUG：

logging.level.org.springframework.boot.autoconfigure=DEBUG

在日志中，可以看到专门用于自动配置的日志信息，从以下几行开始：

============================
CONDITIONS EVALUATION REPORT
============================

通过这个日志报告，可以使用 @EnableAutoConfiguration 排除应用中不会用到的自动配置：

@EnableAutoConfiguration(exclude = {JacksonAutoConfiguration.class, JvmMetricsAutoConfiguration.class, 
  LogbackMetricsAutoConfiguration.class, MetricsAutoConfiguration.class})

如上，不使用 Jackson JSON 和一些指标配置，就可以节省一些启动时间：

c.b.springStart.SpringStartApplication   : Started SpringStartApplication in 3.183 seconds (JVM running for 3.732)

2.3、其他小调整

Spring Boot 自带一个嵌入式 servlet 容器。默认情况下，使用的是 Tomcat。虽然 Tomcat 在大多数情况下已经足够好，但其他 servlet 容器的性能可能更高。在测试中，JBoss 的 Undertow 比 Tomcat 或 Jetty 性能更好。它需要的内存更少，平均响应时间也更长。

修改 pom.xml，切换到 Undertow：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-undertow</artifactId>
</dependency>

具体，你可以参阅 “在 Spring Boot 中使用 Undertow 作为嵌入式服务器”。

在 classpath 扫描方面可以有以下小改进。Spring 的 classpath 扫描速度很快。当代码库较大时，可以通过创建静态索引来缩短启动时间。

添加一个依赖 spring-context-indexer 来生成索引。Spring 不需要任何额外配置。在编译时，Spring 会在 META-INF\spring.components 中创建一个额外的文件。Spring 会在启动时自动使用该文件：

<dependency>
    <groupId>org.springframework</groupId>
    <artifactId>spring-context-indexer</artifactId>
    <version>${spring.version}</version>
    <optional>true</optional>
</dependency>

由于我们只有一个 Spring 组件，因此这一调整在测试中没有产生显著效果。

application.properties（或 .yml）配置文件有几个有效的存放位置，最常见的是在 classpath 根目录下或与 jar 文件在同一文件夹下。我们可以通过使用 spring.config.location 参数设置显式路径来避免搜索多个位置，从而节省几毫秒的搜索时间：

java -jar .\target\springStartupApp.jar --spring.config.location=classpath:/application.properties

最后，Spring Boot 提供了一些 MBean，用于通过 JMX 监控应用。完全关闭 JMX 可以避免创建这些 Bean 的成本：

spring.jmx.enabled=false

3、调整 JVM

3.1、Verify 参数

此参数用于设置字节码验证模式。字节码验证可确定类的格式是否正确，是否符合 JVM 规范约束。

该参数有几个选项：

  • -Xverify 是默认值，可对所有非 “boot” 类进行验证。
  • -Xverify:all 可对所有类进行验证。这种设置会对启动性能产生很大的负面影响。
  • -Xverify:none（或 -Xnoverify）该选项可完全禁用校验器，大大缩短启动时间。

在启动 JVM 时设置此参数。

java -jar -noverify .\target\springStartupApp.jar

JVM 会警告这个选项已被弃用，此外，启动时间也会缩短：

 c.b.springStart.SpringStartApplication   : Started SpringStartApplication in 3.193 seconds (JVM running for 3.686)

这个选项会有一个重大的问题，可能导致应用在运行时因错误而崩溃，而这些错误本应该提前捕获到的。这也是该选项在 Java 13 中被标记为废弃的原因之一。

3.2、TieredCompilation 参数

Java 7 引入了分层编译。HotSpot 编译器将对代码进行不同层次的编译。

Java 代码首先被解释为字节码。然后，字节码被编译成机器码。这种编译发生在方法级别。C1 编译器会在调用一定次数后对方法进行编译。在运行更多次后，C2 编译器会对其进行编译，从而进一步提高性能。

使用 -XX:-TieredCompilation 参数，可以禁用中间编译层。这意味着我们的方法将使用 C2 编译器进行解释或编译，以实现最大优化。这不会降低启动速度。

要禁用 C2 编译。可以使用 -XX:TieredStopAtLevel=1 选项。结合 -noverify 参数，可以缩短启动时间。遗憾的是，这会降低 JIT 编译器后期的运行速度。

使用 -XX:TieredStopAtLevel=1 选项就带来了显著的改进：

 c.b.springStart.SpringStartApplication   : Started SpringStartApplication in 2.754 seconds (JVM running for 3.172)

如果同时使用本节中的 2 个参数，还能进一步缩短启动时间：

 java -jar -XX:TieredStopAtLevel=1 -noverify .\target\springStartupApp.jar
c.b.springStart.SpringStartApplication : Started SpringStartApplication in 2.537 seconds (JVM running for 2.912)

4、Spring Native

原生镜像（Native image）是使用 AOT（Ahead-Of-Time）编译器编译的 Java 代码，并打包成可执行文件。它不需要 Java 就能运行。由于没有 JVM 的开销，因此程序运行速度更快，对内存的依赖性也更小。GraalVM 项目引入了原生镜像和所需的构建工具。

Spring Native 是一个实验性模块，它支持使用 GraalVM 原生镜像编译器对 Spring 应用程序进行原生编译。AOT 编译器会在构建过程中执行多项任务，从而缩短启动时间（静态分析、删除未使用的代码、创建固定的类路径等）。

原生镜像仍有一些限制：

  • 它不支持所有 Java 功能
  • 反射功能需要特殊配置
  • 延迟类加载不能使用
  • Windows 兼容性问题

要将应用编译为原生镜像，需要在 pom.xml 中添加 spring-aot 和 spring-aot-maven-plugin 依赖。Maven 将在 target 文件夹中，通过 package 命令创建原生镜像。

参考：https://www.baeldung.com/spring-boot-startup-speed