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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

2023-11-20 12:00 https://my.oschina.net/u/4090830/blog/10148336 京东云开发者 次阅读 条评论

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 ReportSpring 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

1. 点击realease下载最新版tar.gz包
2. 新建文件夹,并解压

linux/mac系统可以考虑使用以下命令:

mkdir -p ${HOME}/spring-startup-analyzercd 下载路径
tar -zxvf spring-startup-analyzer.tar.gz -C 安装路径/spring-startup-analyzer

脚本安装(linux/mac)

curl -sS https://raw.githubusercontent.com/linyimin0812/spring-startup-analyzer/main/bin/install.sh | sh

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:
java -javaagent:/Users/runner/spring-startup-analyzer/lib/spring-profiler-agent.jar \
    -Dproject.name=mac-demo \
    -Dspring-startup-analyzer.admin.http.server.port=8066 \
    -jar /Users/runner/spring-startup-analyzer/ARK.jar

  •  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

    <!-- 预发、生产的注册中心 -->
    <jsf:registry id="jsfRegistry" protocol="jsfRegistry" index="注册中心地址"/>

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

*.*.*.* 注册中心地址 

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

来源:京东云开发者社区 转载请注明来源

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