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@yitakura731

GraalVMを学びながら動した (Windows)

Last updated at Posted at 2023-03-25

初めに

  • 最近「GraalVM」について調べたのでまとめます
  • 実行環境は以下です
    • Windows 10
    • GraalVM Community Edition 22.3.1
    • Visual Studio 2022 (Native イメージのコンパイルで必要)
  • 誤り等あれば、ご指摘いただけますと幸いです

本書の対象

  • JVMやJITコンパイラなど、基本的なJavaの用語の理解が必要です
  • 不安な方は、本記事の【復習】Javaはどのように動くのか をご確認ください
    • 筆者も最初はかなり忘れていました

GraalVMとは

  • 複数のプログラム言語を高パフォーマンスで実行できるランタイムプラットフォーム。特徴は以下。
    • Graal
      • GraalVM上で動作する新しいJITコンパイラ(C2)
    • Truffle (多言語プラットフォーム)
      • Java、JavaScript、Ruby、Python 等の様々な言語を実行可能
      • ある言語から別の言語のAPIを呼び出すことも可能 (JavaからJavaScriptのAPIを呼び出す)
      • 独自の言語実装も追加できる
    • Native Image
      • AOT(Ahead Of Tim)コンパイルにより、Nativeイメージを作成できる
      • メモリ使用量が低く、起動時間も短いことから、コンテナアプリケーションとの相性が良い

なぜ、GraalVMが注目されているの？

  • CloudNativeが主流になる中、Javaの重たさや起動処理の遅さが問題視されるようになった
  • GraalVMの出現により、Javaのデメリットを解消できるのではと期待されている

環境構築

1. GraalVMのインストール

  • GraalVMインストールからGraalVMをインストールする。
    • 筆者の場合は、Windows (amd64) × Java 17 を選択
    • ダウンロードされるZIPファイルをC:\Program Files\graalvmに展開
    • 環境変数PATH/JAVAHOMEを以下のように設定
      • PATH に C:\Program Files\graalvm\bin を追加
      • JAVAHOMEにC:\Program Files\graalvmを設定
    • コマンドプロンプトにjava --versionと入力し、GraalVMのJVMのバージョンが表示される事を確認する
    openjdk 17.0.6 2023-01-17
OpenJDK Runtime Environment GraalVM CE 22.3.1 (build 17.0.6+10-jvmci-22.3-b13)
OpenJDK 64-Bit Server VM GraalVM CE 22.3.1 (build 17.0.6+10-jvmci-22.3-b13, mixed mode, sharing
    • コマンドプロンプトにnative-image --versionと入力し、GraalVMのNativeイメージのバージョンが表示されることを確認する
    GraalVM 22.3.1 Java 17 CE (Java Version 17.0.6+10-jvmci-22.3-b13)

2. Visual Studio のインストール

  • GraaalVMでNativeイメージを作成するために必要
  • Visual Studio 2022から「Community Edition」を選択してインストーラをDLする
  • インストーラの[デスクトップとモバイル ] -> [C++ によるデスクトップ開発] を選択してインストール
  • インストール完了後、OSを再起動

動作確認

動作確認用のプログラムを作成する

  • 素数を計算するプログラム。処理量を多くしたいので、最適化はしてません
public class Sample {
	private static final long MAX_SIZE = 200000;
	public static void main(String[] args) {
		int counter = 1;
		int number = 1;
		int index = 1;
		while (counter < MAX_SIZE) {
			boolean hit = true;
			if (counter > 2) {
				for (int index1 = 2; index1 < counter; index1++) {
					if (counter % index1 == 0) {
						hit = false;
						break;
					}
				}
			}
			if (hit) {
				number = counter;
				index++;
				System.out.println(String.format("%d番目の素数は%d", index, number));
			}
			counter++;
		}
	}
}

GraalVMでJavaを実行する

  • 以下のコマンドを実行する 
    java -XX:+CITime Sample.java
  • 結果は以下の通り。C2コンパイラの表記がGraalVMのJVMCIに変化している 
    Individual compiler times (for compiled methods only)
------------------------------------------------
C1 {speed: 164062.898 bytes/s; standard:  0.594 s, 97329 bytes, 　　　   ・・・略
JVMCI-native {speed: 47031.351 bytes/s; standard:  0.425 s, 21046 bytes, ・・・略 ★
・・略・・
    OpenJDK17の場合 
    Individual compiler times (for compiled methods only)
------------------------------------------------
C1 {speed: 209886.496 bytes/s; standard:  0.383 s, 80375 bytes,    ・・・略
C2 {speed: 23532.082 bytes/s; standard:  0.753 s, 18235 bytes,     ・・・略 ★
・・略・・

Java以外の言語を実行する

  • GraalVMでは、Java以外のコードを実行したり、Javaから別言語のコードを実行できる。
  • 詳しくは、VSCodeでGraalVMを動かす にまとめているのでご確認ください。

Native Image を作って実行する

  • AOTコンパイラによりJavaをNativeイメージにすることで、VMと比較して高速起動できる
    • AOTコンパイラ：Ahead-Of-Timeコンパイラの略。アプリ実行前に事前にプログラムを機械語に変換する

  1. Jarを作成する

    • サンプルプログラムをJarファイル化する。方法はたくさんあるけど、今回はコマンドで行う
    • コンソールに以下を実行
    javac -d classes Sample.java
    • classesフォルダにsample.classが作成されていることを確認
    • MANIFEST.MFを作成し、以下を記述する。必ず改行すること
    Main-Class: Sample
    • 以下を実行し、実行後にapp-1.0.0.jarが作成されていることを確認
    jar cvfm app-1.0.0.jar MANIFEST.MF -C classes .
    • 以下を実行し、正常にJarが作成されていることを確認
    java -jar app-1.0.0.jar

  2. Visual Studio 2022 Developerコンソールを開く

    • このコンソールで実行しないと、Native イメージの作成時に必要なモジュールが参照できず、エラーになるので注意

  3. 以下のコマンドを入力

    native-image -jar app-1.0.0.jar

    実行後、下記のように表示され、app-1.0.0.exeが作成されることを確認する

    ========================================================================================================================
GraalVM Native Image: Generating 'app-1.0.0' (executable)...
========================================================================================================================
[1/7] Initializing...                                                                                    (7.5s @ 0.11GB)
 Version info: 'GraalVM 22.3.1 Java 17 CE'
 Java version info: '17.0.6+10-jvmci-22.3-b13'
 C compiler: cl.exe (microsoft, x64, 19.35.32215)
 Garbage collector: Serial GC
[2/7] Performing analysis...  [*****]                                                                   (13.4s @ 0.67GB)
   2,799 (74.20%) of  3,772 classes reachable
   3,376 (50.81%) of  6,644 fields reachable
  12,424 (43.11%) of 28,818 methods reachable
      27 classes,     0 fields, and   313 methods registered for reflection
      62 classes,    53 fields, and    52 methods registered for JNI access
       1 native library: version
[3/7] Building universe...                                                                               (1.9s @ 1.14GB)
[4/7] Parsing methods...      [*]                                                                        (1.5s @ 0.62GB)
[5/7] Inlining methods...     [***]                                                                      (0.9s @ 1.00GB)
[6/7] Compiling methods...    [***]                                                                     (11.5s @ 0.80GB)
[7/7] Creating image...                                                                                  (2.2s @ 1.20GB)
   4.14MB (36.82%) for code area:     7,124 compilation units
   6.92MB (61.58%) for image heap:   96,905 objects and 5 resources
   184.09KB ( 1.60%) for other data
   11.23MB in total
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Top 10 packages in code area:                               Top 10 object types in image heap:
 665.50KB java.util                                          908.06KB java.lang.String
 332.85KB java.lang                                          890.88KB byte[] for code metadata
 266.91KB java.text                                          888.33KB byte[] for general heap data
 218.85KB java.util.regex                                    615.44KB java.lang.Class
 196.40KB java.util.concurrent                               541.42KB byte[] for java.lang.String
 149.10KB java.math                                          439.13KB java.util.HashMap$Node
 127.51KB com.oracle.svm.core.code                           220.28KB char[]
 120.48KB com.oracle.svm.core.genscavenge                    218.67KB com.oracle.svm.core.hub.DynamicHubCompanion
 117.19KB java.lang.invoke                                   212.44KB java.util.HashMap$Node[]
 104.38KB java.util.logging                                  160.30KB java.lang.String[]
   1.84MB for 111 more packages                                1.53MB for 765 more object types
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
                    0.7s (1.8% of total time) in 20 GCs | Peak RSS: 2.64GB | CPU load: 5.34
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Produced artifacts:
     app-1.0.0.build_artifacts.txt (txt)
     app-1.0.0.exe (executable)
========================================================================================================================
Finished generating 'app-1.0.0' in 40.7s.

  4. 以下を入力し、Native イメージ化されたexeで同様の処理が実行できる事を確認する

    app-1.0.0.exe

【復習】Javaはどのように動くのか

あらためて、Javaはどのように動作するのか復習します。

  1. 人間がプログラムを書く。
  2. コンパイラがプログラムをバイトコード(中間ファイル)に変更する
    • javacコマンドにより生成される.classファイル
  3. JVMがバイトコードを実行する
    • JVMはOSごとに用意されるがバイトコードはOSに依存しない。このため、JavaはOSに依存しない言語とされている
    • JVMがバイトコードを実行する時は、後述のインタプリタとJITコンパイルの両方で実行される

インタプリタ

  • バイトコードを逐次実行する方法
  • 逐次実行のため遅い
  • そのため頻出する処理はJITコンパイルラで処理する

JITコンパイラ

  • Just in time コンパイラの略で、頻出するバイトコードをOSの機械語に変換して処理する方法
  • インタプリタと比較して高速だが、コンパイル自体の時間がオーバーヘッドになる
  • JITコンパイラは以下の2種類
    種類 タイミング 最適化度合い コンパイル時間
    クライアントコンパイラ(C1) 初期段階でコンパイル 低い 早い
    サーバーコンパイラ(C2) 必要な最適化情報を集めてからコンパイル 高い 遅い
  • Java8移行、C1とC2を併用する階層型コンパイラがデフォルトになっている

動作確認

  • GraalVMの動作確認でも利用した素数を計算するコードを以下の条件で実行して、処理時間を比較した。

    条件 処理時間 実行コマンド
    インタプリタのみ 17.87秒 java -Xint Sample.java
    インタプリタ＋階層型コンパイル 4.89秒 java -XX:+CITime Sample.java

  • 階層型コンパイルが有効の場合、逐次実行するインタプリタのみと比較してかなり処理時間が早い

用語

JVM

  • Java Visual Machineの略
  • Javaで作成されたプログラムを、Windows / MacOS / LinuxのOS上で実行するもの

JRE：

  • Java Runtime Environment の略
  • Javaで作られたプログラムを実行するために必要なソフト
  • JVMはJREに含まれる

JDK：

  • Java Development Kit の略
  • Javaで開発・実行するための総合的なツール群。以下を含む
    • ソースコードをコンパイルをするツール
    • コードをデバッグするツール
  • JREもJDKの一部

引用

https://tech.uzabase.com/entry/2020/01/27/090000
https://speakerdeck.com/oracle4engineer/graalvm-whats-new?slide=55

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