（Spring学习12）Spring 6.0及SpringBoot 3.0新特性解析

主要内容：

1、GraalVM介绍与基本使用
2、Spring Boot 3.0新特性介绍与实战
3、Docker SpringBoot3.0 新特性实战
4、RuntimeHints介绍与实战
5、Spring AOT作用与核心原理源码分析

GraalVM体验

https://github.com/spring-projects/spring-framework/wiki/What%27s-New-in-Spring-Framework-6.x
最核心的就是Spring AOT

GraalVM文章推荐：https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzI3MDI5MjI1Nw==&action=getalbum&album_id=2761361634840969217&scene=173&from_msgid=2247484273&from_itemidx=1&count=3&nolastread=1#wechat_redirect

下载压缩包
打开https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases，按JDK版本下载GraalVM对应的压缩包，请下载Java 17对应的版本，不然后面运行SpringBoot3可能会有问题。

下载完后，就解压，

配置环境变量

新开一个cmd测试：
java -version

安装Visual Studio Build Tools
因为需要C语言环境，所以需要安装Visual Studio Build Tools。

打开visualstudio.microsoft.com，下载Visual Studio Installer。

选择C++桌面开发，和Windows 11 SDK，然后进行下载和安装，安装后重启操作系统。

要使用GraalVM，不能使用普通的windows自带的命令行窗口，得使用VS提供的 x64 Native Tools Command Prompt for VS 2019，如果没有可以执行C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2019\BuildTools\VC\Auxiliary\Build\vcvars64.bat脚本来安装。

安装完之后其实就可以在 x64 Native Tools Command Prompt for VS 2019中去使用native-image命令去进行编译了。

但是，如果后续在编译过程中编译失败了，出现以下错误：

那么可以执行cl.exe，如果是中文，那就得修改为英文。

通过Visual Studio Installer来修改，比如：

可能一开始只选择了中文，手动选择英文，去掉中文，然后安装即可。

再次检查

这样就可以正常的编译了。

Hello World实战

新建一个简单的Java工程：

我们可以直接把graalvm当作普通的jdk的使用

此时的class文件因为有main方法，所以用java命令可以运行

我们也可以利用native-image来编译


编译完了之后就会在当前目录生成一个exe文件：

我们可以直接运行这个exe文件：

并且运行这个exe文件是不需要操作系统上安装了JDK环境的。

我们可以使用-o参数来指定exe文件的名字：

native-image com.zhouyu.App -o app

GraalVM的限制

GraalVM在编译成二进制可执行文件时，需要确定该应用到底用到了哪些类、哪些方法、哪些属性，从而把这些代码编译为机器指令（也就是exe文件）。但是我们一个应用中某些类可能是动态生成的，也就是应用运行后才生成的，为了解决这个问题，GraalVM提供了配置的方式，可以让我们在编译时告诉GraalVM哪些类会动态生成类，比如我们可以通过proxy-config.json、reflect-config.json来进行配置。

SpringBoot 3.0实战

然后新建一个Maven工程，添加SpringBoot依赖

<parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
    <version>3.0.0</version>
</parent>

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

以及SpringBoot的插件

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
            <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
        </plugin>
        <plugin>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

以及一些代码

@RestController
public class ZhouyuController {

    @Autowired
    private UserService userService;

    @GetMapping("/demo")
    public String test() {
        return userService.test();
    }

}

package com.zhouyu;

import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class UserService {

    public String test(){
        return "hello zhouyu";
    }
}

package com.zhouyu;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class MyApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(MyApplication.class, args);
    }
}

这本身就是一个普通的SpringBoot工程，所以可以使用我们之前的方式使用，同时也支持利用native-image命令把整个SpringBoot工程编译成为一个exe文件。

同样在 x64 Native Tools Command Prompt for VS 2019中，进入到工程目录下，执行mvn -Pnative native:compile进行编译就可以了，就能在target下生成对应的exe文件，后续只要运行exe文件就能启动应用了。

在执行命令之前，请确保环境变量中设置的时graalvm的路径。

编译完成截图：


这样，我们就能够直接运行这个exe来启动我们的SpringBoot项目了。

Docker SpringBoot3.0 实战

我们可以直接把SpringBoot应用对应的本地可执行文件构建为一个Docker镜像，这样就能跨操作系统运行了。

Buildpacks，类似Dockerfile的镜像构建技术
注意要安装docker，并启动docker
注意这种方式并不要求你机器上安装了GraalVM，会由SpringBoot插件利用/paketo-buildpacks/native-image来生成本地可执行文件，然后打入到容器中

Docker镜像名字中不能有大写字母，我们可以配置镜像的名字：

<properties>
  <maven.compiler.source>17</maven.compiler.source>
  <maven.compiler.target>17</maven.compiler.target>
  <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
  <spring-boot.build-image.imageName>springboot3demo</spring-boot.build-image.imageName>
</properties>

mvn -Pnative spring-boot:build-image

来生成Docker镜像，成功截图：

执行完之后，就能看到docker镜像了：

然后就可以运行容器了：

docker run --rm -p 8080:8080 springboot3demo

如果要传参数，可以通过-e

docker run --rm -p 8080:8080 -e methodName=test springboot3demo

不过代码中，得通过以下代码获取：

String methodName = System.getenv("methodName")

建议工作中直接使用Environment来获取参数：

RuntimeHints

假如应用中有如下代码：

public class ZhouyuService {

    public String test(){
        return "zhouyu";
    }
}

@Component
public class UserService {

    public String test(){

        String result = "";
        try {
            Method test = ZhouyuService.class.getMethod("test", null);
            result = (String) test.invoke(ZhouyuService.class.newInstance(), null);
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InvocationTargetException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InstantiationException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        return result;
    }

}

在UserService中，通过反射的方式使用到了ZhouyuService的无参构造方法（ZhouyuService.class.newInstance()），如果我们不做任何处理，那么打成二进制可执行文件后是运行不了的，可执行文件中是没有ZhouyuService的无参构造方法的，会报如下错误：

我们可以通过Spring提供的Runtime Hints机制来间接的配置reflect-config.json。

方式一：RuntimeHintsRegistrar

提供一个RuntimeHintsRegistrar接口的实现类，并导入到Spring容器中就可以了：

@Component
@ImportRuntimeHints(UserService.ZhouyuServiceRuntimeHints.class)
public class UserService {

    public String test(){

        String result = "";
        try {
            Method test = ZhouyuService.class.getMethod("test", null);
            result = (String) test.invoke(ZhouyuService.class.newInstance(), null);
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InvocationTargetException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InstantiationException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }


        return result;
    }

    static class ZhouyuServiceRuntimeHints implements RuntimeHintsRegistrar {

        @Override
        public void registerHints(RuntimeHints hints, ClassLoader classLoader) {
            try {
                hints.reflection().registerConstructor(ZhouyuService.class.getConstructor(), ExecutableMode.INVOKE);
            } catch (NoSuchMethodException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

方式二：@RegisterReflectionForBinding

@RegisterReflectionForBinding(ZhouyuService.class)
public String test(){

    String result = "";
    try {
        Method test = ZhouyuService.class.getMethod("test", null);
        result = (String) test.invoke(ZhouyuService.class.newInstance(), null);
    } catch (NoSuchMethodException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    } catch (InvocationTargetException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    } catch (IllegalAccessException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    } catch (InstantiationException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }


    return result;
}

注意

如果代码中的methodName是通过参数获取的，那么GraalVM在编译时就不能知道到底会使用到哪个方法，那么test方法也要利用RuntimeHints来进行配置。

@Component
@ImportRuntimeHints(UserService.ZhouyuServiceRuntimeHints.class)
public class UserService {

    public String test(){

        String methodName = System.getProperty("methodName");

        String result = "";
        try {
            Method test = ZhouyuService.class.getMethod(methodName, null);
            result = (String) test.invoke(ZhouyuService.class.newInstance(), null);
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InvocationTargetException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InstantiationException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }


        return result;
    }

    static class ZhouyuServiceRuntimeHints implements RuntimeHintsRegistrar {

        @Override
        public void registerHints(RuntimeHints hints, ClassLoader classLoader) {
            try {
                hints.reflection().registerConstructor(ZhouyuService.class.getConstructor(), ExecutableMode.INVOKE);
                hints.reflection().registerMethod(ZhouyuService.class.getMethod("test"), ExecutableMode.INVOKE);
            } catch (NoSuchMethodException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

或者使用了JDK动态代理：

public String test() throws ClassNotFoundException {

    String className = System.getProperty("className");
    Class<?> aClass = Class.forName(className);

    Object o = Proxy.newProxyInstance(UserService.class.getClassLoader(), new Class[]{aClass}, new InvocationHandler() {
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            return method.getName();
        }
    });

    return o.toString();
}

那么也可以利用RuntimeHints来进行配置要代理的接口：

public void registerHints(RuntimeHints hints, ClassLoader classLoader) {
    hints.proxies().registerJdkProxy(UserInterface.class);
}

方式三：@Reflective

对于反射用到的地方，我们可以直接加一个@Reflective，前提是ZhouyuService得是一个Bean：

@Component
public class ZhouyuService {

    @Reflective
    public ZhouyuService() {
    }

    @Reflective
    public String test(){
        return "zhouyu";
    }
}

以上Spring6提供的RuntimeHints机制，我们可以使用该机制更方便的告诉GraalVM我们额外用到了哪些类、接口、方法等信息，最终Spring会生成对应的reflect-config.json、proxy-config.json中的内容，GraalVM就知道了。

Spring AOT的源码实现

流程图：https://www.processon.com/view/link/63edeea8440e433d3d6a88b2

SpringBoot 3.0插件实现原理

上面的SpringBoot3.0实战过程中，我们在利用image-native编译的时候，target目录下会生成一个spring-aot文件夹：

这个spring-aot文件夹是编译的时候spring boot3.0的插件生成的，resources/META-INF/native-image文件夹中的存放的就是graalvm的配置文件。

当我们执行mvn -Pnative native:compile时，实际上执行的是插件native-maven-plugin的逻辑。
我们可以执行

mvn help:describe -Dplugin=org.graalvm.buildtools:native-maven-plugin -Ddetail

来查看这个插件的详细信息。

发现native:compile命令对应的实现类为NativeCompileMojo，并且会先执行package这个命令，从而会执行process-aot命令，因为spring-boot-maven-plugin插件中有如下配置：

我们可以执行

mvn help:describe -Dplugin=org.springframework.boot:spring-boot-maven-plugin -Ddetail

发现对应的phase为：prepare-package，所以会在打包之前执行ProcessAotMojo。

所以，我们在运行mvn -Pnative native:compile时，会先编译我们自己的java代码，然后执行executeAot()方法（会生成一些Java文件并编译成class文件，以及GraalVM的配置文件），然后才执行利用GraalVM打包出二进制可执行文件。

对应的源码实现：

maven插件在编译的时候，就会调用到executeAot()这个方法，这个方法会：

1. 先执行org.springframework.boot.SpringApplicationAotProcessor的main方法
2. 从而执行SpringApplicationAotProcessor的process()
3. 从而执行ContextAotProcessor的doProcess()，从而会生成一些Java类并放在spring-aot/main/sources目录下，详情看后文
4. 然后把生成在spring-aot/main/sources目录下的Java类进行编译，并把对应class文件放在项目的编译目录下target/classes
5. 然后把spring-aot/main/resources目录下的graalvm配置文件复制到target/classes
6. 然后把spring-aot/main/classes目录下生成的class文件复制到target/classes

Spring AOT核心原理

prepareApplicationContext会直接启动我们的SpringBoot，并在触发contextLoaded事件后，返回所创建的Spring对象，注意此时还没有扫描Bean。

protected ClassName performAotProcessing(GenericApplicationContext applicationContext) {
    FileSystemGeneratedFiles generatedFiles = createFileSystemGeneratedFiles();

    DefaultGenerationContext generationContext = new DefaultGenerationContext(createClassNameGenerator(), generatedFiles);
    
    ApplicationContextAotGenerator generator = new ApplicationContextAotGenerator();

    // 会进行扫描，并且根据扫描得到的BeanDefinition生成对应的Xx_BeanDefinitions.java文件
    // 并返回com.zhouyu.MyApplication__ApplicationContextInitializer
    ClassName generatedInitializerClassName = generator.processAheadOfTime(applicationContext, generationContext);

    // 因为后续要通过反射调用com.zhouyu.MyApplication__ApplicationContextInitializer的构造方法
    // 所以将相关信息添加到reflect-config.json对应的RuntimeHints中去
    registerEntryPointHint(generationContext, generatedInitializerClassName);

    // 生成source目录下的Java文件
    generationContext.writeGeneratedContent();

    // 将RuntimeHints中的内容写入resource目录下的Graalvm的各个配置文件中
    writeHints(generationContext.getRuntimeHints());
    writeNativeImageProperties(getDefaultNativeImageArguments(getApplicationClass().getName()));

    return generatedInitializerClassName;
}

public ClassName processAheadOfTime(GenericApplicationContext applicationContext,
                                    GenerationContext generationContext) {
    return withCglibClassHandler(new CglibClassHandler(generationContext), () -> {
        
        // 会进行扫描，并找到beanType是代理类的请求，把代理类信息设置到RuntimeHints中
        applicationContext.refreshForAotProcessing(generationContext.getRuntimeHints());

        // 拿出Bean工厂，扫描得到的BeanDefinition对象在里面
        DefaultListableBeanFactory beanFactory = applicationContext.getDefaultListableBeanFactory();
        
        ApplicationContextInitializationCodeGenerator codeGenerator =
            new ApplicationContextInitializationCodeGenerator(generationContext);
        
        // 核心
        new BeanFactoryInitializationAotContributions(beanFactory).applyTo(generationContext, codeGenerator);
        
        return codeGenerator.getGeneratedClass().getName();
    });
}

BeanFactoryInitializationAotContributions(DefaultListableBeanFactory beanFactory) {
    // 把aot.factories文件的加载器以及BeanFactory，封装成为一个Loader对象，然后传入
    this(beanFactory, AotServices.factoriesAndBeans(beanFactory));
}

BeanFactoryInitializationAotContributions(DefaultListableBeanFactory beanFactory,
                                          AotServices.Loader loader) {

    // getProcessors()中会从aot.factories以及beanfactory中拿出BeanFactoryInitializationAotProcessor类型的Bean对象
    // 同时还会添加一个RuntimeHintsBeanFactoryInitializationAotProcessor
    this.contributions = getContributions(beanFactory, getProcessors(loader));
}

    return Collections.unmodifiableList(contributions);
}

总结一下，在SpringBoot项目编译时，最终会通过BeanFactoryInitializationAotProcessor来生成Java文件，或者设置RuntimeHints，后续会把写入Java文件到磁盘，将RuntimeHints中的内容写入GraalVM的配置文件，再后面会编译Java文件，再后面就会基于生成出来的GraalVM配置文件打包出二进制可执行文件了。

所以我们要看Java文件怎么生成的，RuntimeHints如何收集的就看具体的BeanFactoryInitializationAotProcessor就行了。

比如:

1. 有一个BeanRegistrationsAotProcessor，它就会负责生成Xx_BeanDefinition.java以及Xx__ApplicationContextInitializer.java、Xx__BeanFactoryRegistrations.java中的内容
2. 还有一个RuntimeHintsBeanFactoryInitializationAotProcessor，它负责从aot.factories文件以及BeanFactory中获取RuntimeHintsRegistrar类型的对象，以及会找到@ImportRuntimeHints所导入的RuntimeHintsRegistrar对象，最终就是从这些RuntimeHintsRegistrar中设置RuntimeHints。

Spring Boot3.0启动流程

在run()方法中，SpringBoot会创建一个Spring容器，但是SpringBoot3.0中创建容器逻辑为：

private ConfigurableApplicationContext createContext() {
    if (!AotDetector.useGeneratedArtifacts()) {
        return new AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext();
    }
    return new ServletWebServerApplicationContext();
}

如果没有使用AOT，那么就会创建AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext，它里面会添加ConfigurationClassPostProcessor，从而会解析配置类，从而会扫描。

而如果使用了AOT，则会创建ServletWebServerApplicationContext，它就是一个空容器，它里面没有ConfigurationClassPostProcessor，所以后续不会触发扫描了。

创建完容器后，就会找到MyApplication__ApplicationContextInitializer，开始向容器中注册BeanDefinition。

后续就是创建Bean对象了。