1. 總覽
在本程式碼研究室中，我們將瞭解 Spring Native 專案、建構使用該專案的應用程式，並將其部署至 Google Cloud。
我們會介紹這個專案的元件、近期歷史記錄、一些用途，當然也會說明在專案中使用這個專案的必要步驟。
Spring Native 專案目前處於實驗階段，因此需要進行一些特定設定才能開始使用。不過，正如 SpringOne 2021 大會所宣布，Spring Native 將整合至 Spring Framework 6.0 和 Spring Boot 3.0，並提供一流的支援，因此在發布前幾個月，正是深入瞭解這個專案的絕佳時機。
雖然即時編譯已針對長時間執行的程序等項目進行最佳化，但在某些用途中，預先編譯的應用程式效能更佳，我們將在程式碼研究室中討論這點。
在接下來的研究室中
- 使用 Cloud Shell
- 啟用 Cloud Run API
- 建立及部署 Spring 原生應用程式
- 將這類應用程式部署至 Cloud Run
軟硬體需求
- 擁有 Google Cloud Platform 專案，且已啟用 GCP 帳單帳戶
- 已安裝 gcloud CLI，或可存取 Cloud Shell
- Java 和 XML 基礎技能
- 熟悉常見的 Linux 指令
問卷調查
您會如何使用本教學課程？
你對 Java 的體驗如何？
您對使用 Google Cloud 服務的體驗滿意嗎？
2. 背景
Spring Native 專案運用多項技術，為開發人員提供原生應用程式效能。
如要充分瞭解 Spring Native，建議先瞭解其中幾項元件技術、這些技術為我們帶來的優勢，以及這些技術如何搭配運作。
AOT 編譯
開發人員在編譯時正常執行 javac 時，我們的 .java 原始碼會編譯成以位元碼編寫的 .class 檔案。這個位元碼只能由 Java 虛擬機器解讀，因此 JVM 必須在其他機器上解讀這段程式碼，我們才能執行程式碼。
這個程序賦予 Java 簽章可攜性，讓我們「編寫一次，隨處執行」，但與執行原生程式碼相比，成本較高。
幸好，大多數 JVM 實作項目都使用即時編譯，可降低這項解譯成本。具體做法是計算函式的叫用次數，如果叫用次數夠多，超過閾值：門檻 ( 預設為 10,000 次)，系統就會在執行階段將函式編譯為原生程式碼，避免後續進行耗費資源的解譯作業。
預先編譯則採取相反的做法，在編譯時將所有可到達的程式碼編譯為原生可執行檔。這項做法會犧牲可攜性，換取執行階段的記憶體效率和其他效能提升。
當然，這是一種取捨，不一定值得。不過，AOT 編譯在某些用途中非常實用，例如：
- 啟動時間很重要的短期應用程式
- 記憶體受限的環境，JIT 可能會耗用過多資源
有趣的是，AOT 編譯是在 JDK 9 中以實驗功能的形式推出，但這項實作的維護成本高昂，且從未普及，因此在 Java 17 中悄悄移除，改為讓開發人員使用 GraalVM。
GraalVM
GraalVM 是經過高度最佳化的開放原始碼 JDK 發行版本，具有極快的啟動時間、AOT 原生映像檔編譯功能，以及多語言功能，可讓開發人員將多種語言混合到單一應用程式中。
GraalVM 仍在積極開發中，不斷推出新功能並改良現有功能，因此建議開發人員密切關注。
近期里程碑包括：
- 全新且容易使用的原生圖片建構輸出內容 ( 2021 年 1 月 18 日)
- 支援 Java 17 ( 2022 年 1 月 18 日)
- 預設啟用多層級編譯，縮短多語言編譯時間 ( 2021 年 4 月 20 日)
Spring Native
簡單來說，Spring Native 可讓您使用 GraalVM 的原生映像檔編譯器，將 Spring 應用程式轉換為原生可執行檔。
這項程序包括在編譯時間對應用程式執行靜態分析，找出應用程式中可從進入點存取的所有方法。
這基本上會建立應用程式的「封閉世界」概念，也就是假設所有程式碼在編譯時都已知，且不允許在執行階段載入新程式碼。
請注意，產生原生映像檔是記憶體密集型程序，所需時間比編譯一般應用程式更長，且會對 Java 的某些方面造成限制。
在某些情況下，應用程式不需要變更任何程式碼，就能與 Spring Native 搭配運作。不過，在某些情況下，您必須進行特定的原生設定，才能正常運作。在這種情況下，Spring Native 通常會提供原生提示，簡化這個程序。
3. 設定/準備工作
開始導入 Spring Native 之前，我們需要先建立及部署應用程式，建立效能基準，以便稍後與原生版本比較。
1. 建立專案
首先，請從 start.spring.io 取得應用程式：
curl https://start.spring.io/starter.zip -d dependencies=web \
-d javaVersion=11 \
-d bootVersion=2.6.4 -o io-native-starter.zip
這個範例應用程式使用 Spring Boot 2.6.4，這是撰寫本文時 spring-native 專案支援的最新版本。
請注意，自 GraalVM 21.0.3 發布後，您也可以使用 Java 17 執行這個範例。在本教學課程中，我們仍會使用 Java 11，盡量減少相關設定。
在指令列中取得 ZIP 檔案後，我們可以為專案建立子目錄，並將資料夾解壓縮至該處：
mkdir spring-native cd spring-native unzip ../io-native-starter.zip
2. 程式碼變更
開啟專案後，我們會快速新增生命跡象，並在執行專案時展示 Spring Native 效能。
編輯 DemoApplication.java，使其符合下列內容：
package com.example.demo;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.boot.context.event.ApplicationReadyEvent;
import org.springframework.context.event.EventListener;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.time.Duration;
import java.time.Instant;
@RestController
@SpringBootApplication
public class DemoApplication {
private static Instant startTime;
private static Instant readyTime;
public static void main(String[] args) {
startTime = Instant.now();
SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
}
@GetMapping("/")
public String index() {
return "Time between start and ApplicationReadyEvent: "
+ Duration.between(startTime, readyTime).toMillis()
+ "ms";
}
@EventListener(ApplicationReadyEvent.class)
public void ready() {
readyTime = Instant.now();
}
}
此時，我們的基準應用程式已準備就緒，因此請隨意建構映像檔並在本機執行，以便在轉換為原生應用程式之前，瞭解啟動時間。
建構映像檔：
mvn spring-boot:build-image
您也可以使用 docker images demo 瞭解基準圖片的大小：
如要執行應用程式，請按照下列步驟操作：
docker run --rm -p 8080:8080 demo:0.0.1-SNAPSHOT
3. 部署基準應用程式
現在我們有了應用程式，接下來要部署應用程式並記錄時間，稍後會與原生應用程式的啟動時間進行比較。
視您建構的應用程式類型而定，有幾種不同的「您的內容」代管方式。
不過，由於我們的範例是非常簡單的網頁應用程式，因此可以簡化作業，只使用 Cloud Run。
如果您是在自己的電腦上操作，請務必安裝並更新 gcloud CLI 工具。
如果您使用 Cloud Shell，系統會處理所有事項，您只需在來源目錄中執行下列指令：
gcloud run deploy
4. 應用程式設定
1. 設定 Maven 存放區
由於這個專案仍處於實驗階段，我們必須設定應用程式，才能找到 Maven 中央存放區沒有的實驗構件。
這項作業需要在 pom.xml 中加入下列元素，您可以在所選的編輯器中完成這項作業。
在 pom 中新增下列 repositories 和 pluginRepositories 區段：
<repositories>
<repository>
<id>spring-release</id>
<name>Spring release</name>
<url>https://repo.spring.io/release</url>
</repository>
</repositories>
<pluginRepositories>
<pluginRepository>
<id>spring-release</id>
<name>Spring release</name>
<url>https://repo.spring.io/release</url>
</pluginRepository>
</pluginRepositories>
2. 新增依附元件
接著，新增 spring-native 依附元件，這是以原生映像檔執行 Spring 應用程式的必要條件。注意：如果您使用 Gradle，則不需要執行這個步驟
<dependencies>
<!-- ... -->
<dependency>
<groupId>org.springframework.experimental</groupId>
<artifactId>spring-native</artifactId>
<version>0.11.2</version>
</dependency>
</dependencies>
3. 新增/啟用外掛程式
現在新增 AOT 外掛程式，改善原生映像檔的相容性和占用空間 ( 瞭解詳情)：
<plugins>
<!-- ... -->
<plugin>
<groupId>org.springframework.experimental</groupId>
<artifactId>spring-aot-maven-plugin</artifactId>
<version>0.11.2</version>
<executions>
<execution>
<id>generate</id>
<goals>
<goal>generate</goal>
</goals>
</execution>
</executions>
</plugin>
</plugins>
現在，我們要更新 spring-boot-maven-plugin，啟用原生映像檔支援功能，並使用 paketo 建構工具建構原生映像檔：
<plugins>
<!-- ... -->
<plugin>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
<configuration>
<image>
<builder>paketobuildpacks/builder:tiny</builder>
<env>
<BP_NATIVE_IMAGE>true</BP_NATIVE_IMAGE>
</env>
</image>
</configuration>
</plugin>
</plugins>
請注意，微型建構工具圖片只是其中一個選項。這個映像檔的額外程式庫和公用程式非常少，有助於縮小攻擊面，因此很適合我們的用途。
舉例來說，如果您要建構的應用程式需要存取某些常見的 C 程式庫，或您還不確定應用程式的需求，完整建構工具可能更適合您。
5. 建構及執行原生應用程式
完成上述步驟後，我們應該就能建構映像檔，並執行編譯後的原生應用程式。
執行建構作業前，請留意下列事項：
- 這項作業所需時間會比一般建構作業 (幾分鐘) 長
- 這個建構程序可能會佔用大量記憶體 (幾 GB)
- 這個建構程序需要 Docker Daemon 可連線
- 雖然在本範例中，我們是手動完成這項程序，但您也可以設定建構階段，自動觸發原生建構設定檔。
建構映像檔：
mvn spring-boot:build-image
建構完成後，我們就可以查看原生應用程式的實際運作情形！
如要執行應用程式，請按照下列步驟操作：
docker run --rm -p 8080:8080 demo:0.0.1-SNAPSHOT
此時，我們已準備好瞭解原生應用程式方程式的兩端。
我們在編譯時間耗費了一些時間，也使用了額外的記憶體用量，但換來的是啟動速度更快、耗用記憶體明顯較少的應用程式 (視工作負載而定)。
如果我們執行 docker images demo 來比較原生圖片與原始圖片的大小，會發現圖片大幅縮小：
此外，在較複雜的用途中，您還需要進行額外修改，向 AOT 編譯器說明應用程式在執行階段的行為。因此，某些可預測的工作負載 (例如批次工作) 可能非常適合這項功能，而其他工作負載則可能需要更多時間。
6. 部署原生應用程式
如要將應用程式部署到 Cloud Run，我們需要將原生映像檔放入套件管理工具，例如 Artifact Registry。
1. 準備 Docker 存放區
我們可以先建立存放區，開始這個程序：
gcloud artifacts repositories create native-image-docker-repo --repository-format=docker \
--location=us-central1 --description="Repository for our native images"
接下來，我們要驗證是否已通過驗證，可將內容推送至新登錄檔。
gcloud CLI 可大幅簡化該程序：
gcloud auth configure-docker us-central1-docker.pkg.dev
2. 將映像檔推送至 Artifact Registry
接著，我們會標記圖片：
export PROJECT_ID=$(gcloud config list --format 'value(core.project)')
docker tag demo:0.0.1-SNAPSHOT \
us-central1-docker.pkg.dev/$PROJECT_ID/native-image-docker-repo/quickstart-image:tag2
然後使用 docker push 將其傳送至 Artifact Registry：
docker push us-central1-docker.pkg.dev/$PROJECT_ID/native-image-docker-repo/quickstart-image:tag2
3. 部署至 Cloud Run
現在，我們已準備好將儲存在 Artifact Registry 中的映像檔部署至 Cloud Run：
gcloud run deploy --image us-central1-docker.pkg.dev/$PROJECT_ID/native-image-docker-repo/quickstart-image:tag2
由於我們已將應用程式建構及部署為原生映像檔，因此可以放心，應用程式在執行時會充分利用基礎架構成本。
歡迎自行比較基準應用程式與這個新原生應用程式的啟動時間！
7. 摘要/清除
恭喜您在 Google Cloud 建構及部署 Spring 原生應用程式！
希望本教學課程能幫助您進一步瞭解 Spring Native 專案，並在日後有需要時採用。
選用：清理及/或停用服務
無論您是為這個程式碼研究室建立 Google Cloud 雲端專案，還是重複使用現有專案，請務必避免因我們使用的資源產生不必要的費用。
8. 其他資源
雖然 Spring Native 專案目前仍處於實驗階段，但已有許多實用資源，可協助早期採用者排解問題及參與專案：
其他資源
以下是可能與本教學課程相關的線上資源：
授權
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