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ぼくたちは Java アプリケーションの起動速度をどこまで縮められるか

BulBulPaul
November 10, 2022

ぼくたちは Java アプリケーションの起動速度をどこまで縮められるか

AWS Dev Day 2022 で発表したJava アプリケーションの起動速度のアプローチの資料

BulBulPaul

November 10, 2022
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. ぼくたちは Java アプリケーションの 起動速度をどこまで縮められるのか Paul / @bulbulpaul D - 2 Solutions Architect Amazon Web Services Japan
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    rights reserved. 自己紹介 ȃȞȑ アマゾン ウェブ サービス ジャパン合同会社 ソリューションアーキテクト [関⼼のある技術] Java, Kotlin, Python, Serverless, 釣り BULBULPAUL
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    rights reserved. [お話すること] • JVM 起動時間に関連する仕組みや技術情報 • 起動速度の短縮へのアプローチや今後の展開 [しないこと] • AWS サービスや機能についての解説 • 特定プラットフォーム環境 お話すること / しないこと
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    rights reserved. • あらためて Java • クラウドコンピューティングにおけるJava アプリケーションの課題 • JVM の起動の仕組み、起動周辺プロセス • 起動速度の短縮アプローチ • JVM の今後のお話 • まとめ Agenda
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. あらためて… Java
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    rights reserved. Java Java はアプリケーション開発で使われているプラットフォームの⼀つ Java コードをバイトコードにコンパイルし、JVM上で処理実⾏が可能 バイトコード 機械語 ソースコード Java コンパイラ JIT コンパイラ JVM ※他にもコンポーネント有り ライブラリ JRE JDK
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    rights reserved. Java の進化 現在OpenJDK コミュニティでOSSとして開発が進められており、 リファレンス実装として提供され、複数のディストリビューターから ビルドしたJDKが提供されている OpenJDK は半年毎のリリースサイクルで開発されており、最新版は Java 19 LTS は 8, 11, 17 ( 2023 年に次の LTS の Java 21 がリリース予定) 他にも商⽤のJDKが展開されてる
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    rights reserved. みなさんは何個 JDK を ご存知でしょうか︖
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    rights reserved. みなさんは何個 JDK を ご存知でしょうか︖ そもそも JDK に種類があることを知らない⽅もいらっしゃる…かな︖
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    rights reserved. さまざまな JDK のディストリビューション • Oracle JDK • Oracle OpenJDK • Red Had OpenJDK • Azul Zulu • BellSoft Liberica JDK • Amazon Corretto • Microsoft Build of OpenJDK • Sap Machine • Open J9 • Eclipse Temurin • Alibaba Dragonwell • etc…
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. クラウドコンピューティングにおける Java アプリケーションの課題
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    rights reserved. クラウドコンピューティングの発展 VM VM ホスト クラウド VM コンテナ / サーバーレス モノリス マイクロサービス 必要に応じた インフラリソースの利⽤ よりクラウドの特徴を ⽣かした実⾏環境へ 単⼀アプリケーションから 複数の⼩さなアプリケーションに
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    rights reserved. クラウドやモダンアプリケーション サーバー コンテナ サーバーレス アプリケーションプロセスのライフサイクルが異なる 必要な量だけ コンテナが 起動/停⽌ イベントに応じて 処理を実⾏/停⽌/ スケール 起動後は 動かしっぱなし
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    rights reserved. Java と モダンなインフラの組み合わせ時の課題 • JVM + アプリケーションの起動時間が都度発⽣する • JIT コンパイルによるピークパフォーマンスまでの時間
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    rights reserved. JVM + アプリケーションの起動時間 サーバー コンテナ サーバーレス コンテナが 起動毎に必要 イベントに応じた 処理を実⾏毎に必要 起動後は動き続ける のであまり課題に ならない
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    rights reserved. ピークパフォーマンスまでの時間 コンテナ JIT の最適化まで ⼀定の時間が必要 毎回ピークパフォーマンスまで 時間が必要。 最適化されても停⽌してしまう。
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    rights reserved. Java と モダンなインフラの組み合わせ時の課題 • JVM + アプリケーションの起動時間が都度発⽣する Ø 弾⼒性のあるインフラでは初回起動の時間が応答速度やスケールに影響する • JIT コンパイルによるピークパフォーマンスまでの時間 Ø 起動毎に最適化を⾏う必要があり、⾮効率 Ø 最適化に⾄らない場合も ライフサイクルの短い環境下では課題
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    rights reserved. Java と モダンなインフラの組み合わせ時の課題 • JVM + アプリケーションの起動時間が都度発⽣する Ø 柔軟性のあるインフラでは初回起動の時間が応答速度やスケールに影響する • JIT コンパイルによるピークパフォーマンスまでの時間 Ø 起動毎に最適化を⾏う必要があり、⾮効率 Ø 最適化に⾄らない場合も ライフサイクルの短い環境下では課題 起動時間を縮めることで、Java をクラウドでも活⽤
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. JVM の起動時の仕組み や 起動周辺プロセス
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    rights reserved. JVM の起動時のプロセス JVM を起動 クラスを読み込む インタープリタ実⾏ 実⾏時に JIT コンパイル • アプリケーションが実⾏されている部分 • プロファイルを取得して JIT コンパイル • JVM の起動部分 • Java のバイトコードのロード
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    rights reserved. アプリケーションのスタートアップ プラットフォーム上で動かす場合のスタートアッププロセス プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ • コンテナイメージ取得 • パッケージ取得/展開 • JVM 起動 • クラス読み込み • インタプリタ実⾏ • フレームワークの 初期化 • JIT でのネイティブ コード⽣成 JVM の起動時間 アプリ実⾏の 最適化時間
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. 起動速度短縮への アプローチ
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    rights reserved. 起動速度短縮へのアプローチ プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ ① プラットフォーム個別の 最適化 ② アプリケーション起動の最適化 ③ ピークパフォーマンスまでの最適化
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    rights reserved. 起動速度短縮へのアプローチ プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ ① プラットフォーム個別の 最適化 ② アプリケーション起動の最適化 ③ ピークパフォーマンスまでの最適化
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    rights reserved. プラットフォームのスタートアップの改善 • コンテナ イメージ/ 実⾏ファイルサイズの削減 Ø Jarの軽量化 Ø カスタムJREでの軽量化
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    rights reserved. コンテナイメージの / 実⾏ファイルサイズの削減 • Jarの軽量化 Ø Micro Framework の活⽤ (Micronaut, Quarkus 等) Ø 不要なDependency の削除 • カスタムJREでの軽量化 • jlink を使って必要最低限の JRE を作成し、Java のコンテナイメージを削減
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    rights reserved. Jar の軽量化 実⾏するJar を⼩さくすることでコンテナサイズの削減や アプリケーション取得時の処理を⾼速にする また、JVM にロードするクラスファイルも少なくなる為 起動速度の改善にもつながる [対象例] • 軽量なフレームワークの活⽤ • 不要なライブラリの削除 • サーバーレス環境によっては内部のアプリケーションサーバー
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    rights reserved. Application Framework (⼀例) Larger Smaller Micro Framework MicroProfile Based Full Stack
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    rights reserved. カスタムJREでの軽量化 Java 9 で導⼊された jlink を使い必要なライブラリに絞ったJREを作る バイトコード 機械語 ソースコード Java コンパイラ JIT コンパイラ JVM ※他にもコンポーネント有り ライブラリ JRE JDK ここのライブラリを 必要なものに絞る
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    rights reserved. jlink で カスタム JRE を作成 2. jdeps コマンドを使ってアプリケーションに 必要なモジュールを精査 1. デフォルトのモジュールを確認 Coretto 17 約310MB $ java --list-modules [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] . $ jdeps -s ./demo/Example.class Example.class -> java.base Example.class -> java.logging 3. jlink コマンドを使ってJREの作成 例)約50MB $ jlink --add-modules java.base,java.logging \ --output custom-runtime
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    rights reserved. 起動速度短縮へのアプローチ プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ ① プラットフォーム個別の 最適化 ② アプリケーション起動の最適化 ③ ピークパフォーマンスまでの最適化
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    rights reserved. アプリケーション起動時間の最適化 • アプリの起動処理フェーズでの最適化 Ø Class Data Sharing / Application Class Data Sharing Ø AOT Compile / Native Compile
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    rights reserved. アプリケーション起動時間の最適化 • アプリの起動処理フェーズでの最適化 Ø Class Data Sharing / Application Class Data Sharing Ø AOT Compile / Native Compile
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    rights reserved. JVM の起動時のプロセス JVM を起動 クラスを読み込む インタープリタ実⾏ 実⾏時に JIT コンパイル クラスファイルを読み込んだ際の アーカイブファイルを再利⽤する
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    rights reserved. Class Data Sharing (CDS) 異なるJVM上で同⼀の Class 情報を共有する仕組み。 Class ファイルの読み込んだ情報をアーカイブ化し共有をする。 Java 10 でApplication Class Data Sharing が導⼊され、⼿動で アーカイブを作成して利⽤する事が可能に Java 12 Default CDS でBootstrap CDS のデータが予め添付されて 何もしなくても起動が早くなる Java 13 でDynamic CDS が導⼊され、実⾏時にCDSデータを⽣成する
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    rights reserved. シンプルなWeb APIで検証 Application Framework: Micronaut v3.7.3 JDK: Amazon Correto 17.0.5 CDS: Default CDS, Dynamic CDS 計測項目: • JVMの起動時間(以下をmain メソッドに追加) • アプリケーションの起動時間 -ANAGEMENT&ACTORYGET2UNTIME-8"EAN GET5PTIME
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    rights reserved. Dynamic CDS 検証 1. Micronaut のアプリケーションをビルドし、Jarを作成する 2. クラスデータのアーカイブを作成する (実行オプションに -XX:ArchiveClassesAtExit を指定 ) 3. 作成したアーカイブファイルを利用してアプリケーションを起動 (実行オプションに -XX:SharedArchiveFile を指定 ) $ java -XX:ArchiveClassesAtExit=mn.jsa -jar build/libs/demo-0.1.jar $ java -XX:SharedArchiveFile=mn.jsa -jar build/libs/demo-0.1.jar
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    rights reserved. 実行結果 CDS JVM 起動速度 (ms) App 起動速度(ms) 無し 134 1021 Default CDS 85 803 Dynamic CDS 75 392 • Default CDS 使うだけでも速い
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    rights reserved. 2倍くらい短縮 !
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    rights reserved. 別のアプローチ
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    rights reserved. JVM の起動時のプロセス JVM を起動 クラスを読み込む インタープリタ実行 実行時に JIT コンパイル Java のバイトコードをあらかじめ ネイティブコードにコンパイルしておく
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    rights reserved. AOT Compile / Native Compile あらかじめネイティブコードにコンパイルをしておくことで JVM起動時の課題を解決する。 実装 • GraalVM native image • Java 9 AOT (Ahead of Time compile) ※ Java 17で削除
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    rights reserved. シンプルなWeb APIで検証 Application Framework: Micronaut v3.7.3 JDK: Amazon Correto 17.0.5 GraalVM 22.3.r17 + native-image 計測項目: • アプリケーションの起動時間
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    rights reserved. 実行結果 構成 起動速度 (ms) Java 17 + Default CDS 888 Java 17 + Dynamic CDS 467 GraalVM native image 31 • CDS活用したJVMアプリより 15倍速い!
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    rights reserved. やっぱり Native Compile は 速い…
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    rights reserved. AOT or JIT AOT JIT 起動時間 ◯ ✕ CPU/メモリ利用率 ◯ △ パッケージサイズ ◯ △ ピークスループット △ ◯ 最大レイテンシー △ ◯ プラットフォーム非依存 ✕ ◯ コンパイル時間 ✕ ◯ 起動時間のみで見ればAOTがメリットがあるが、JITとの特徴の違いは 適切に押さえた上で利用可否の判断が必要になる
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    rights reserved. 起動速度短縮へのアプローチ プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ ① プラットフォーム個別の 最適化 ② アプリケーション起動の最適化 ③ ピークパフォーマンスまでの最適化
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    rights reserved. 起動速度短縮へのアプローチ プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ ① プラットフォーム個別の 最適化 ② アプリケーション起動の最適化 ③ ピークパフォーマンスまでの最適化
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    rights reserved. ピークパフォーマンスまでの最適化 JVM を起動 クラスを読み込む インタープリタ実行 実行時に JIT コンパイル JIT の最適化まで 一定の時間が必要 最適化前に停止するなら その最適化は本当に必要なのか?
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    rights reserved. そもそも JIT Compile は 何をしている?
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    rights reserved. JIT Compile JVM では3つのJIT コンパイラの種類がある • C1 コンパイラ § クライアント側で使用を想定し、開発者が短いフィードバックループを実現する 為に設計されている • C2 コンパイラ § サーバーサイドでの使用を想定し、プロファイリング後の高いパフォーマンスを 実現する為に設計されている • 階層型コンパイラ (Java 8以降デフォルト) § C1 + C2 を組み合わせた階層型のコンパイラ
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    rights reserved. JIT Compile のレベル指定 サーバーレスの Lambda で実行するような、ライフサイクルが短い アプリケーションやメソッドが何度も呼び出されないようなの場合 JIT コンパイルの最適化の恩恵を受けないケースがあり得る その場合にはあえてJIT コンパイルの最適化レベルを指定して 起動時間の短縮を狙うことが可能
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    rights reserved. 階層型コンパイル Java 8 以降のデフォルトの設定 プロファイリングを行い、状況に応じて 適切なコンパイルレベルでJIT コンパイル が行われる ただ、プロファイリングや最適化には オーバーヘッドがある Level 0: インタープリタ Level 1: C1 Profile無し Level 2: C1 Basic Profile Level 3 : C1 Full Profile Level 4: C2 Compilation Level
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    rights reserved. AWS Lambda での階層型コンパイルレベル指定 • JIT の階層型コンパイルのレベルを 1 に指定する • Lambda Layer を使って起動のラッパースクリプトで JVM のオプションを設定する #!/bin/sh shift export _JAVA_OPTIONS="-XX:+TieredCompilation -XX:TieredStopAtLevel=1" java "[email protected]" 階層型コンパイルの 上限レベルを指定 https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/increasing-performance-of-java-aws-lambda-functions-using-tiered-compilation/
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    rights reserved. 実行結果 設定 起動タイプ 実行時間 デフォルト設定 Cold Start 5338 Warm Start 93 階層型コンパイル の上限を1に設定 Cold Start 2086 Warm start 32 https://github.com/aws-samples/aws-lambda-java-tiered-compilation-example • コールドスタートで約60%の改善 • ウォームスタートで約65%の改善
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    rights reserved. ピークパフォーマンスまでの最適化 JVM を起動 クラスを読み込む インタープリタ実行 実行時に JIT コンパイル JIT の最適化まで 一定の時間が必要 最適化されてる状態で アプリを保持できれば 良いのでは?
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    rights reserved. Project CRaC 実行中に Java インスタンスからチェックポイントを作成する機能の研 究をするプロジェクト 現状は Linux 環境での実装が進めらている。 内部で Linux の CRIU を活用したインスタンスのイメージを作成する。 OpenJDK のリリースには含まれていない ( まだ 実験的な取り組みの状態 ) https://openjdk.org/projects/crac/
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    rights reserved. CRIU Checkpoint Restore in Userspace の略 プロセスの動いているメモリ状態などをイメージにダンプし そのイメージからのリストア起動を実現するツール CPU Registers Memory Dump
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    rights reserved. CRaC Co-ordinated Restore at Checkpoint チェックポイントを作成し、アプリケーションにも復元を認識させる https://openjdk.org/projects/crac/ チェックポイントの 作成 復元処理
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    rights reserved. CRaC Co-ordinated Restore at Checkpoint チェックポイントを作成し、アプリケーションにも復元を認識させる チェックポイントの 作成 この段階でソケットやファイルが 開かれていないようにする 必要がある • Micronaut がCRaCをサポート https://micronaut-projects.github.io/micronaut-crac/latest/guide/
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    rights reserved. シンプルなWeb APIで検証 Application Framework: Micronaut v3.7.3 OS: Ubuntu 18.04 JDK: OpenJDK 17-crac 計測項目: • アプリケーションの起動時間
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    rights reserved. 実行結果 構成 起動速度 (ms) Java 17 + Default CDS 1021 Java 17 + Dynamic CDS 467 GraalVM native image 31 Java 17 + CRaC 41 • Native Compile と 遜色のない速度 • JIT Compile 最適化状態から 開始も可能
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    rights reserved. 実行結果 構成 起動速度 (ms) Java 17 + Default CDS 1021 Java 17 + Dynamic CDS 467 GraalVM native image 31 Java 17 + CRaC 40 • Native Compile と 遜色のない速度 • JIT Compile 最適化状態から 開始も可能 JVM のまま 起動速度が22倍!
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    rights reserved. JVM のメリットを活かして 起動速度も改善!
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    rights reserved. JVM のメリットを活かして 起動速度も改善! ※但し、Early Access の機能の為、要注意
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    rights reserved. 起動速度のアプローチまとめ プラットフォームの スタートアップ ランタイムの スタートアップ アプリケーションの スタートアップ アプリケーションの ウォームアップ ① プラットフォーム個別の 最適化 ② アプリケーション起動の最適化 ③ ピークパフォーマンスまでの最適化
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. JVM のこれからのお話
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    rights reserved. Java は確実に現実課題に対して発展している • CDS • Application Class Data Sharing • Default CDS Archives • Dynamic CDS Archives • コンテナ関連 • Alpine Linux Port • cgroups v2 support • コンテナ用途に合わせた JVM オプションの追加 • etc…
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    rights reserved. Project Leyden 起動時間、ピークパフォーマンスまでの時間、および Java のフットプリントを 改善するプロジェクト 静的ランタイムイメージ ≒ ネイティブ実行コードを作成することで起動時間の 改善を図る [Static Java] • アプリケーションを構成するJavaコードのネイティブコンパイル • “閉じた世界”の実現による、追加的なクラスロードの防止。使用されない メソッドやフィールドを取り除くことでデッドコードを排除し、生成する バイナリを小さくする • ビルド時にアプリケーションの一部を初期化することで、さらなる最適化を 可能にすると同時に、以降の起動時における冗長な処理を回避する機能 https://openjdk.org/projects/leyden/
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    rights reserved. Oracle が GraalVM関連技術をOpenJDKへ寄贈 GraalVM CE のJava関連コードを OpenJDK コミュニティへ寄贈を発表 Graal Compiler や Graal Native Image の関連技術の設計/開発は Open JDKコミュニティで継続される形に これによりJIT や AOT Compiler の発展が期待される。 https://www.graalvm.org/2022/openjdk-announcement/
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    rights reserved. © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved. まとめ
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    rights reserved. まとめ • アプリケーションライフサイクルを意識したアプローチ • プラットフォームの起動時間 → Jar の軽量化, カスタムJRE • JVM / アプリ起動時間 → CDS, AOT / Native Compile • 起動後の最適化までの時間 → JIT 最適化レベル調整, CRaC • OpenJDK の機能(jlink, CDS等)の活用して改善が可能 • JVM は これからも Project Leyden や CRaC 等のアプローチで 起動速度の改善の可能性がある
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    rights reserved. Thank you! © 2022, Amazon Web Services, Inc. or its affiliates. All rights reserved.