【為什么寫(xiě)作本書(shū)】

Java語(yǔ)言可謂程序語(yǔ)言界的常青藤，自1996年誕生以來(lái)，長(zhǎng)期在受歡迎的編程語(yǔ)言排行榜中占據(jù)領(lǐng)先地位。除了語(yǔ)言本身的優(yōu)秀特性之外，Java語(yǔ)言持續(xù)演進(jìn)、不斷發(fā)展也是它能夠保持長(zhǎng)盛不衰的重要原因。

近年來(lái)，隨著云原生浪潮的興起，越來(lái)越多的應(yīng)用被部署在了云廠商的云服務(wù)環(huán)境中，以計(jì)算資源的形式為用戶提供服務(wù)。在這種趨勢(shì)下，應(yīng)用本身越來(lái)越小，對(duì)跨平臺(tái)的需求越來(lái)越弱（因?yàn)槠脚_(tái)問(wèn)題已經(jīng)由云廠商解決了），但是對(duì)應(yīng)用快速啟動(dòng)、即起即用和高性能執(zhí)行的需求越來(lái)越強(qiáng)。Java程序的冷啟動(dòng)問(wèn)題在這種場(chǎng)景下就顯得格外突出，成為開(kāi)發(fā)人員在選擇編程語(yǔ)言時(shí)的主要減分項(xiàng)。根據(jù)著名的TIOBE編程語(yǔ)言流行趨勢(shì)索引統(tǒng)計(jì)，Java語(yǔ)言的市場(chǎng)占有率從2016年1月的21.4%跌至2021年8月的10%，在C和Python之后，排名第三。

難道使用Java語(yǔ)言就只能忍受冷啟動(dòng)問(wèn)題嗎？Java社區(qū)和工業(yè)界一直在探索冷啟動(dòng)問(wèn)題的解決之道，希望使用Java的用戶在享受Java豐富生態(tài)的同時(shí)，還能獲得良好的啟動(dòng)性能。比如OpenJDK提出的AppCDS（Application Class Data Sharing）技術(shù)，可以將已經(jīng)加載的類的元數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文件，在下次啟動(dòng)時(shí)直接從文件導(dǎo)入這些數(shù)據(jù)，無(wú)須再次經(jīng)過(guò)類的解析和加載等過(guò)程，由此削減啟動(dòng)時(shí)的類加載開(kāi)銷。但是，因?yàn)镴ava的冷啟動(dòng)問(wèn)題的根源在于JVM本身，所以在JVM之上做的各種優(yōu)化的效果都是有限的，難以實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

從根本上審視Java冷啟動(dòng)問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)一個(gè)Java程序并讓它達(dá)到性能的峰值需要經(jīng)過(guò)VM初始化應(yīng)用程序初始化字節(jié)碼解釋執(zhí)行JIT編譯熱點(diǎn)函數(shù)執(zhí)行JIT編譯后的本地代碼（native code）等環(huán)節(jié)，且不論在這些環(huán)節(jié)上能夠做出何種優(yōu)化，單這么長(zhǎng)的一條鏈路已足以說(shuō)明冷啟動(dòng)問(wèn)題之復(fù)雜、難解。如果不能打破這條鏈路，而只是在各個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化，恐怕很難達(dá)到理想的效果。那么是否能夠打破這條長(zhǎng)鏈，越過(guò)中間環(huán)節(jié)直達(dá)后一步，像C語(yǔ)言一樣直接將Java代碼編譯為本地代碼執(zhí)行呢？

答案是肯定的，這就是本書(shū)要為讀者展現(xiàn)的Java靜態(tài)編譯技術(shù)。Oracle公司推出的開(kāi)源高性能多語(yǔ)言運(yùn)行平臺(tái)項(xiàng)目GraalVM，打造了一個(gè)包括靜態(tài)編譯器和輕量級(jí)運(yùn)行時(shí)的Java靜態(tài)編譯框架，可以將Java程序從字節(jié)碼直接編譯為本地可執(zhí)行應(yīng)用程序。與在JVM下執(zhí)行相比，靜態(tài)編譯后的Java程序的啟動(dòng)速度能夠提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，完全解決了冷啟動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了Java應(yīng)用程序啟動(dòng)性能的質(zhì)的突破。目前關(guān)于GraalVM靜態(tài)編譯的大多數(shù)資料都是開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)布的技術(shù)文檔、博客和GitHub上的開(kāi)發(fā)相關(guān)問(wèn)題討論，而缺少系統(tǒng)全面性的資料介紹，尤其缺乏中文資料。因此國(guó)內(nèi)的廣大程序開(kāi)發(fā)者和技術(shù)愛(ài)好者對(duì)其并不了解。本書(shū)旨在填補(bǔ)這方面的空白，使讀者能夠系統(tǒng)性了解并掌握GraalVM靜態(tài)編譯技術(shù)。

【本書(shū)特色】

本書(shū)將為讀者詳細(xì)解釋GraalVM中的Java靜態(tài)編譯技術(shù)，不僅帶你了解GraalVM的靜態(tài)編譯框架的使用方法，更重要的是向你介紹其背后的實(shí)現(xiàn)原理。有興趣的讀者在閱讀完本書(shū)后可以獨(dú)立閱讀甚至修改GraalVM中的源碼，并向社區(qū)提出自己的功能改進(jìn)建議或Bug修復(fù)的補(bǔ)丁，幫助GraalVM更好地發(fā)展。本書(shū)側(cè)重介紹GraalVM靜態(tài)編譯框架和運(yùn)行時(shí)的應(yīng)用與原理，而不太涉及編譯部分。

原因如下：其一，GraalVM的靜態(tài)編譯中使用的編譯器并不專用于Java靜態(tài)編譯，如可用于代替HotSpot的C2編譯器，其內(nèi)容博大精深，足以單獨(dú)成書(shū)，所以不會(huì)過(guò)多闡述；其二，Java靜態(tài)編譯的難點(diǎn)并不在于編譯本身，而是在于確定編譯的范圍以及對(duì)JVM原本動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的改造適配等，因?yàn)镴VM的實(shí)時(shí)編譯器早已實(shí)現(xiàn)對(duì)Java字節(jié)碼的編譯。

【如何閱讀本書(shū)】

本書(shū)分為三部分，分別從應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)原理和具體實(shí)例三個(gè)方面進(jìn)行闡述。

部分（第1～4章）從整體上介紹GraalVM項(xiàng)目及其靜態(tài)編譯子項(xiàng)目Substrate VM。

第1章向讀者介紹Java靜態(tài)編譯產(chǎn)生的技術(shù)原因Java冷啟動(dòng)問(wèn)題的產(chǎn)生和由來(lái)。

第2章首先對(duì)GraalVM做概要介紹，然后分別介紹Substrate VM和方舟編譯器這兩種實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)比它們的技術(shù)特點(diǎn)。

第3章向讀者介紹Oracle GraalVM項(xiàng)目的整體結(jié)構(gòu)。

第4章介紹使用GraalVM靜態(tài)編譯Java應(yīng)用的詳細(xì)步驟。

第二部分（第5～12章）主要介紹GraalVM中靜態(tài)編譯框架子項(xiàng)目Substrate VM的實(shí)現(xiàn)原理。

第5章介紹Substrate VM靜態(tài)編譯框架的實(shí)現(xiàn)與總體流程。

第6章介紹Substrate VM中的功能擴(kuò)展機(jī)制Feature機(jī)制，框架中的各個(gè)具體功能點(diǎn)都是通過(guò)該機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。

第7章介紹編譯時(shí)的程序元素替換功能Substitution機(jī)制，該機(jī)制實(shí)現(xiàn)了無(wú)侵入性的程序元素替換能力，在靜態(tài)編譯框架的運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)中有基礎(chǔ)性的地位。

第8章介紹Substrate VM的類提前初始化優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)將符合條件的類在編譯時(shí)初始化，不但節(jié)省了運(yùn)行時(shí)初始化的開(kāi)銷，而且無(wú)須分析已經(jīng)運(yùn)行過(guò)的類初始化函數(shù)，因此降低了編譯時(shí)的靜態(tài)分析開(kāi)銷。

第9章和第10章分別介紹兩種具有代表性的Java動(dòng)態(tài)特性反射和序列化的靜態(tài)化實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

第11章和第12章介紹Substrate VM的跨語(yǔ)言編程能力。

第三部分（第13～15章）通過(guò)兩個(gè)實(shí)例介紹Java靜態(tài)編譯技術(shù)的實(shí)踐，并在后介紹程序在靜態(tài)編譯后的產(chǎn)物native image的調(diào)試方法。

第13章介紹云原生應(yīng)用的靜態(tài)編譯和部署實(shí)例，側(cè)重云服務(wù)平臺(tái)的部署和性能比較。

第14章介紹用Java實(shí)現(xiàn)JVMTI Agent的實(shí)例，側(cè)重Substrate VM框架對(duì)JVMTI編程的支持。

第15章介紹對(duì)native image的調(diào)試支持，靜態(tài)編譯后的Java程序已經(jīng)是本地程序，不再支持原先的Java調(diào)試方式，而只能通過(guò)GDB調(diào)試。本章介紹如何用GDB調(diào)試native image程序。