高效开发与设计:提效 Spring 应用的运行效率和生产力 | 京东云技术团队
引言
现状和背景
Spring 框架是广泛使用的 Java 开发框架之一,它提供了强大的功能和灵活性,但在大型应用中,由于 Spring 框架的复杂性和依赖关系,应用的启动时间和性能可能会受到影响。这可能导致开发过程中的迟缓和开发效率低下。优化 Spring 应用程序的启动速度和性能是一个重要的任务,通过分析和优化应用的初始化过程、减少不必要的依赖和组件加载、并利用异步初始化、懒加载等技术,可以显著改善应用的启动性能。这将帮助开发者提高开发效率、减少调试时间,并提供更好的用户体验。
线上的业务 jar 包基本上普遍比较庞大,动不动一个 jar 包几百 M,启动时间在 10 分钟级,拖慢了我们在故障时快速扩容的响应、以及本地开发调试效率。于是做了一些分析,看看 Spring 程序启动慢到底慢在哪里,如何去优化,目前的效果是大部分大型应用启动时间可以缩短 70%~80%。
主要有下面这些内容
SpringBean 加载耗时 timeline 可视化分析(✅)
SpringBean 的可视化依赖分析(✅)
应用未加载的 jar 包(Jar 瘦身)(✅)
应用启动过程线程 wall clock 火焰图(✅)
重要性和影响
◦ 开发效率提高:较快的应用启动速度可以显著减少开发和调试的时间。开发人员能够更快地启动应用程序,进行功能测试和调试,从而提高开发效率和迭代速度。
◦ 部署和扩展效率提升:优化启动速度可以减少部署和扩展应用程序的时间和成本。快速启动的应用程序可以更快地响应负载变化,提高系统的可伸缩性和弹性。
◦ 资源利用率优化:通过减少初始化时间和优化资源加载,可以降低应用程序的内存和 CPU 占用率。这有助于提高服务器的利用率,并降低运行应用程序的成本。
分析工具
Arthas:Arthas 是一个开源的 Java 诊断工具,可以实时监控和诊断 Java 应用程序。它提供了丰富的命令和功能,用于分析应用程序的性能问题,包括启动过程中的资源消耗和加载时间。
JVM Sandbox:JVM Sandbox 是一种基于 Java 安全管理器的技术,用于隔离和限制 Java 应用程序的访问权限。它可以帮助减少启动时的资源消耗和加载时间,提高应用程序的启动速度。
Async Profiler:Async Profiler 是一个低开销的异步 Java 性能分析工具,用于收集和分析应用程序的性能数据。它可以帮助你找出启动过程中的性能瓶颈,以及其他影响启动速度的问题。
启动加速-异步初始化方法:异步初始化方法是一种启动加速的技术,通过将一些初始化任务异步执行,可以减少启动时间并提高应用程序的响应性。这可以通过使用线程池、异步框架或异步注解等方式来实现。
Spring Boot Startup Report:Spring Boot Startup Report 是一个用于生成 Spring Boot 应用程序启动报告的工具。它可以提供详细的启动过程信息,包括每个 bean 的加载时间、自动配置的耗时等,帮助你分析和优化启动过程。
Jaeger UI: Jaeger UI 是一个用于可视化和分析分布式追踪数据的工具。通过使用 Jaeger UI,你可以监控和分析应用程序的启动过程,识别潜在的性能问题和瓶颈。
Spring Startup Analyzer:Spring Startup Analyzer 是一个用于采集 Spring 应用程序启动过程数据并生成交互式分析报告的工具。它的目标是帮助分析 Spring 应用程序的启动卡点,并支持 Spring Bean 的异步初始化,以减少优化 Spring 应用程序的启动时间。该工具支持在 Linux、Mac 和 Windows 操作系统上运行,并参考了 spring-boot-startup-report 实现其用户界面。使用 Spring Startup Analyzer,可以收集应用程序的启动过程数据,并生成可视化的 HTML 报告。这个报告可以帮助你分析 Spring 应用程序的启动性能,并找出潜在的优化机会。
Spring Startup Analyzer优化方案
借助 Spring startup analyzer 的能力,我们以业务线的 ARK 项目为例,深入研究如何优化提效 Spring 项目的启动过程。下面我们先观察下 ARK 的基本启动情况:
启动概览
Startup Time(s):启动时长
Num of Bean:初始化的 Bean 数量
Used/Total Jars:使用 Jar 数量/总量
Unused/Total Jars:未使用 Jar 数量/总量
ClassLoader Count:类加载器数量
Spring Bean 初始化详情
Name:一级 name 对应着 Bean 的名称
Duration with children (ms) :Bean 的引用加载时长
Duration (ms) :Bean 本身的加载时长
Detail:包含类加载器、加载该 Bean 的线程信息(异步加载的话会有多个不同的)
SpringBean 加载耗时 timeline 可视化分析
这个观察项可以一直下探,直到 Bean 引用的最末级,可以看出每一级的加载时长
应用启动过程线程 wall clock 火焰图
如何看懂火焰图
y 轴表示调用栈,每一层都是一个函数。调用栈越深,火焰就越高,顶部就是正在执行的函数,下方都是它的父函数。
x 轴表示抽样数,如果一个函数在 x 轴占据的宽度越宽,就表示它被抽到的次数多,即执行的时间长。注意,x 轴不代表时间,而是所有的调用栈合并后,按字母顺序排列的。
火焰图就是看顶层的哪个函数占据的宽度最大。只要有"平顶"(plateaus),就表示该函数可能存在性能问题。
颜色没有特殊含义,因为火焰图表示的是 CPU 的繁忙程度,所以一般选择暖色调
火焰图总览
从总览图中可以看出,有三个入口函数占用百分比较大,下面分别看一下
火焰局部图 1
这部分火焰图可以看出,springfox在启动过程做了很多初始化,占了大量时间,对于不需要该功能的项目,可以直接下掉
火焰局部图 2
了解下 spring bean 的初始化过程
从这个图中可以看出,bean 的创建过程也占了很多时间
火焰局部图 3
从这个图中可以看出,注册 BeanPostProcessor 也耗费了大量时间
应用未加载的 jar 包(Jar 瘦身)
这一个观察项可以搜集到项目启动完之后,没有用到的 Jar 包
实施与优化效果
操作步骤和配置项
安装 Spring Startup Analyzer
手动安装
点击realease下载最新版 tar.gz 包
新建文件夹,并解压
linux/mac 系统可以考虑使用以下命令:
脚本安装(linux/mac)
脚本默认安装路径:$HOME/spring-startup-analyzer
应用启动
spring-startup-analyzer 是以 agent 的方式启动的,所以在启动命令中添加参数-javaagent:安装路径/spring-startup-analyzer/lib/spring-profiler-agent.jar
即可。
以 java 命令行的方式启动应用,则在命令行中添加参数,例如:
IDEA 中启动,则需要在 VM options 选项中添加:
日志文件路径:安装路径/spring-startup-analyzer/logs
startup.log: 启动过程中的日志
transform.log: 被 re-transform 的类/方法信息
应用启动完成后会在 console 和 startup.log 文件中输出======= spring-startup-analyzer finished, click http://localhost:xxxx to visit details. ======
,可以通过此输出来判断采集是否完成。
启动时间和性能改善情况
优化之前
预发平均启动 10 分钟,本地无法启动,每次需求需要提交到预发环境验证,开发和发版周期比较长,且预发环境连接的生产库,不能随便造数。项目引用 585 个 jar,其中有 337 个 jar 没用到。
慢 bean 分析
分析可以看到,耗时排名前面的接口都是 jsf 相关的加载,还有一个 es 相关的 bean。
功能路径:Details of Method Invoke --> AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBean
jsf 启动优化
注:index=“注册中心地址”中的“注册中心地址“做了匿名,在具体场景查看自己代码中的配置
jsf 的生产者的注册中心在启动的时候,会拉取一批 ip,不断尝试注册 jsf,在办公环境这些 ip 无法访问,导致启动过程一直重试
在本机 host 里面增加 jsf 发布地址的 host 配置,下面*...* 在使用的时候替换成自己的,可以 ping test.注册中心地址 获取。“注册中心地址” 替换成上面 index 后面的地址
再次启动项目,时长来到 185s
开启 Bean 懒加载
将 ES 的 Bean 初始化进行懒加载,以及开启全局懒加载,时长来到 131s;
全局懒加载:
1、根据 spring 版本的不同,开启全局懒加载的方式可能会不相同
2、不建议生产环境开启全局懒加载,因为基本上我们的服务都是部署在 k8s 上的,有可能服务在伸缩的时候,在访问量大的时候,由于懒加载的配置,服务快速启动成功了,会返回给 docker 容器服务已经准备就绪状态,导致 k8s 把流量分给该服务,导致预想不到的问题。
Jar 瘦身
对于应用未使用的 jar 包,可以谨慎剔除,在剔除的时候一个一个下,每下一个都要重复编译和启动验证是否会对项目造成影响,这是一个持续和长期的过程,Jar 瘦身不仅对启动时长有收益,而且对编译提效很明显,减少了大量的 Jar 复制过程
最终效果
做完上述优化之后:
本地能够启动和 debug 项目,这对开发人员来说有极大的提效。
预发使用该方案进行优化之后,能够缩短项目编译以及发布的时间,对于快速验证和迭代需求有极大提效。
整体启动效率提升 70%~80%。
在 intel 芯片电脑,启动速度在 2min11s。
在 m1 芯片的电脑,速度会更快,大概启动时间在 90s 左右。
使用该思路,可以优化大部分 spring 以及 spring boot 项目,建议定期做一轮这种排查和优化。
优化关键点和方法
去除未使用的 jar 包:定位未使用的 jar 包。通过分析和整理项目依赖,可以将这些未使用的 jar 包从应用中移除,减少编译、启动时间和资源消耗。
优化慢速的 Bean 初始化:找到启动耗时较长的 Bean。可以考虑对这些接口和 Bean 进行优化,例如使用延迟加载或异步加载的方式,以减少启动时的耗时。
取消不需要的发布:对于本地开发环境而言,如果不需要发布 jsf 接口,可以在本地取消这部分的发布,以节省启动时间。
开启全局懒加载:通过开启全局懒加载,可以延迟加载一些不必要的组件和资源,从而减少启动时间。确保在需要使用时才进行加载。
拆分大型组件:定位加载时间较长的组件,可以考虑将其拆分成多个组件,并在启动时只加载需要的部分。这样可以减少启动时的加载时间和资源消耗。
使用性能分析工具:结合之前提到的性能分析工具,如 Spring Startup Analyzer、Java Profiler、VisualVM 等,对应用进行性能分析。通过监测和分析应用的性能数据,可以找到性能瓶颈,并针对性地进行优化。
定期进行代码优化和重构:定期审查和优化代码,识别和消除潜在的性能问题。使用优化的算法和数据结构,减少不必要的计算和循环,优化数据库查询等,以提高应用的性能。
使用缓存机制:合理地使用缓存来减少对数据库或其他资源的频繁访问。通过缓存常用数据或计算结果,可以显著提升应用的响应速度和性能。
并行化处理:如果有一些独立的任务可以并行处理,可以考虑使用多线程或异步机制来提高处理速度和效率。
信息补充
oracle jdk8 下载地址
https://www.oracle.com/java/technologies/downloads/#java8-mac
oracle 登录账号
请联系作者提供免费账号
本地 redis 安装
https://redis.io/docs/install/install-redis/install-redis-on-windows/
spring-startup-analyzer 启动分析工具
https://github.com/linyimin0812/spring-startup-analyzer/blob/main/README_ZH.md
作者:京东健康 梁灿
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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/37e50f8f3e71f6e7090701d15】。文章转载请联系作者。
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