Ahead of Time Compilation (AoT)

1. Perkenalan

Pada artikel ini, kita akan melihat Compiler Java Ahead of Time (AOT), yang dijelaskan di JEP-295 dan ditambahkan sebagai fitur eksperimental di Java 9.

Pertama, kita akan melihat apa itu AOT, dan kedua, kita akan melihat contoh sederhana. Ketiga, kita akan melihat beberapa batasan AOT, dan terakhir, kita akan membahas beberapa kemungkinan kasus penggunaan.

2. Apa yang Dimaksud dengan Kompilasi Waktu?

Kompilasi AOT adalah salah satu cara untuk meningkatkan kinerja program Java dan khususnya waktu startup JVM . JVM mengeksekusi bytecode Java dan mengkompilasi kode yang sering dieksekusi ke kode native. Ini disebut Kompilasi Just-in-Time (JIT). JVM memutuskan kode mana yang akan dikompilasi JIT berdasarkan informasi profil yang dikumpulkan selama eksekusi.

Meskipun teknik ini memungkinkan JVM untuk menghasilkan kode yang sangat dioptimalkan dan meningkatkan kinerja puncak, waktu startup kemungkinan besar tidak optimal, karena kode yang dijalankan belum dikompilasi JIT. AOT bertujuan untuk memperbaiki apa yang disebut periode pemanasan ini . Kompiler yang digunakan untuk AOT adalah Graal.

Pada artikel ini, kami tidak akan membahas JIT dan Graal secara detail. Silakan merujuk ke artikel kami yang lain untuk ikhtisar peningkatan kinerja di Java 9 dan 10, serta mendalami Graal JIT Compiler.

3. Contoh

Untuk contoh ini, kita akan menggunakan kelas yang sangat sederhana, mengompilasinya, dan melihat cara menggunakan pustaka yang dihasilkan.

3.1. Kompilasi AOT

Mari kita lihat sekilas kelas sampel kita:

public class JaotCompilation { public static void main(String[] argv) { System.out.println(message()); } public static String message() { return "The JAOT compiler says 'Hello'"; } } 

Sebelum kita dapat menggunakan kompilator AOT, kita perlu mengkompilasi kelas dengan kompilator Java:

javac JaotCompilation.java 

Kami kemudian meneruskan JaotCompilation.class yang dihasilkan ke kompiler AOT, yang terletak di direktori yang sama dengan kompiler Java standar:

jaotc --output jaotCompilation.so JaotCompilation.class 

Ini menghasilkan pustaka jaotCompilation.so di direktori saat ini.

3.2. Menjalankan Program

Kami kemudian dapat menjalankan program:

java -XX:AOTLibrary=./jaotCompilation.so JaotCompilation 

Argumen -XX: AOTLibrary menerima jalur relatif atau lengkap ke perpustakaan. Alternatifnya, kita dapat menyalin pustaka ke folder lib di direktori home Java dan hanya meneruskan nama pustaka.

3.3. Memverifikasi Bahwa Perpustakaan Dipanggil dan Digunakan

Kita dapat melihat bahwa pustaka memang dimuat dengan menambahkan -XX: + PrintAOT sebagai argumen JVM:

java -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=./jaotCompilation.so JaotCompilation 

Outputnya akan terlihat seperti:

77 1 loaded ./jaotCompilation.so aot library 

Namun, ini hanya memberi tahu kita bahwa pustaka itu dimuat, tetapi tidak benar-benar digunakan. Dengan meneruskan argumen -verbose , kita dapat melihat bahwa metode di perpustakaan memang dipanggil:

java -XX:AOTLibrary=./jaotCompilation.so -verbose -XX:+PrintAOT JaotCompilation 

Outputnya akan berisi baris:

11 1 loaded ./jaotCompilation.so aot library 116 1 aot[ 1] jaotc.JaotCompilation.()V 116 2 aot[ 1] jaotc.JaotCompilation.message()Ljava/lang/String; 116 3 aot[ 1] jaotc.JaotCompilation.main([Ljava/lang/String;)V The JAOT compiler says 'Hello' 

Pustaka yang dikompilasi AOT berisi sidik jari kelas , yang harus cocok dengan sidik jari dari file .class .

Mari kita ubah kode di kelas JaotCompilation.java untuk mengembalikan pesan yang berbeda:

public static String message() { return "The JAOT compiler says 'Good morning'"; } 

Jika kita menjalankan program tanpa AOT mengkompilasi kelas yang dimodifikasi:

java -XX:AOTLibrary=./jaotCompilation.so -verbose -XX:+PrintAOT JaotCompilation 

Maka outputnya hanya akan berisi:

 11 1 loaded ./jaotCompilation.so aot library The JAOT compiler says 'Good morning'

Kita dapat melihat bahwa metode di perpustakaan tidak akan dipanggil, karena bytecode kelas telah berubah. Ide di balik ini adalah bahwa program akan selalu menghasilkan hasil yang sama, tidak peduli apakah pustaka yang dikompilasi AOT dimuat atau tidak.

4. Lebih Banyak Argumen AOT dan JVM

4.1. Kompilasi AOT Modul Java

AOT juga dapat mengkompilasi modul:

jaotc --output javaBase.so --module java.base 

Library javaBase.so yang dihasilkan berukuran sekitar 320 MB dan membutuhkan waktu untuk dimuat. Ukuran dapat dikurangi dengan memilih paket dan kelas yang akan dikompilasi AOT.

Kami akan melihat cara melakukannya di bawah ini, namun, kami tidak akan mendalami semua detailnya.

4.2. Kompilasi Selektif dengan Perintah Kompilasi

To prevent the AOT compiled library of a Java module from becoming too large, we can add compile commands to limit the scope of what gets AOT compiled. These commands need to be in a text file – in our example, we'll use the file complileCommands.txt:

compileOnly java.lang.*

Then, we add it to the compile command:

jaotc --output javaBaseLang.so --module java.base --compile-commands compileCommands.txt 

The resulting library will only contain the AOT compiled classes in the package java.lang.

To gain real performance improvement, we need to find out which classes are invoked during the warm-up of the JVM.

This can be achieved by adding several JVM arguments:

java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+LogTouchedMethods -XX:+PrintTouchedMethodsAtExit JaotCompilation 

In this article, we won't dive deeper into this technique.

4.3. AOT Compilation of a Single Class

We can compile a single class with the argument –class-name:

jaotc --output javaBaseString.so --class-name java.lang.String 

The resulting library will only contain the class String.

4.4. Compile for Tiered

By default, the AOT compiled code will always be used, and no JIT compilation will happen for the classes included in the library. If we want to include the profiling information in the library, we can add the argument compile-for-tiered:

jaotc --output jaotCompilation.so --compile-for-tiered JaotCompilation.class 

The pre-compiled code in the library will be used until the bytecode becomes eligible for JIT compilation.

5. Possible Use Cases for AOT Compilation

One use case for AOT is short running programs, which finish execution before any JIT compilation occurs.

Another use case is embedded environments, where JIT isn't possible.

At this point, we also need to note that the AOT compiled library can only be loaded from a Java class with identical bytecode, thus it cannot be loaded via JNI.

6. AOT and Amazon Lambda

A possible use case for AOT-compiled code is short-lived lambda functions where short startup time is important. In this section, we'll look at how we can run AOT compiled Java code on AWS Lambda.

Using AOT compilation with AWS Lambda requires the library to be built on an operating system that is compatible with the operating system used on AWS. At the time of writing, this is Amazon Linux 2.

Furthermore, the Java version needs to match. AWS provides the Amazon Corretto Java 11 JVM. In order to have an environment to compile our library, we'll install Amazon Linux 2 and Amazon Corretto in Docker.

We won't discuss all the details of using Docker and AWS Lambda but only outline the most important steps. For more information on how to use Docker, please refer to its official documentation here.

For more details about creating a Lambda function with Java, you can have a look at our article AWS Lambda With Java.

6.1. Configuration of Our Development Environment

First, we need to pull the Docker image for Amazon Linux 2 and install Amazon Corretto:

# download Amazon Linux docker pull amazonlinux # inside the Docker container, install Amazon Corretto yum install java-11-amazon-corretto # some additional libraries needed for jaotc yum install binutils.x86_64 

6.2. Compile the Class and Library

Inside our Docker container, we execute the following commands:

# create folder aot mkdir aot cd aot mkdir jaotc cd jaotc

The name of the folder is only an example and can, of course, be any other name.

package jaotc; public class JaotCompilation { public static int message(int input) { return input * 2; } }

The next step is to compile the class and library:

javac JaotCompilation.java cd .. jaotc -J-XX:+UseSerialGC --output jaotCompilation.so jaotc/JaotCompilation.class

Here, it's important to use the same garbage collector as is used on AWS. If our library cannot be loaded on AWS Lambda, we might want to check which garbage collector is actually used with the following command:

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

Now, we can create a zip file that contains our library and class file:

zip -r jaot.zip jaotCompilation.so jaotc/

6.3. Configure AWS Lambda

The last step is to log into the AWS Lamda console, upload the zip file and configure out Lambda with the following parameters:

  • Runtime: Java 11
  • Handler: jaotc.JaotCompilation::message

Furthermore, we need to create an environment variable with the name JAVA_TOOL_OPTIONS and set its value to:

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+PrintAOT -XX:AOTLibrary=./jaotCompilation.so

Variabel ini memungkinkan kita meneruskan parameter ke JVM.

Langkah terakhir adalah mengonfigurasi input untuk Lambda kami. Standarnya adalah input JSON, yang tidak dapat diteruskan ke fungsi kita, oleh karena itu kita perlu mengaturnya ke String yang berisi integer, misalnya “1”.

Terakhir, kita dapat menjalankan fungsi Lambda dan akan melihat di log bahwa pustaka yang dikompilasi AOT kita telah dimuat:

57 1 loaded ./jaotCompilation.so aot library

7. Kesimpulan

Pada artikel ini, kami melihat bagaimana AOT mengkompilasi kelas dan modul Java. Karena ini masih merupakan fitur eksperimental, kompiler AOT bukan bagian dari semua distribusi. Contoh nyata masih jarang ditemukan, dan komunitas Java akan menentukan kasus penggunaan terbaik untuk menerapkan AOT.

Semua cuplikan kode dalam artikel ini dapat ditemukan di repositori GitHub kami.