RISC-V中開發(fā)Java是一種什么體驗？

文/鄭孝林

01背景介紹

1. Alibaba Dragonwell 發(fā)行版

Alibaba Dragonwell [1] 是一款免費的 OpenJDK 發(fā)行版。它提供了長期支持，包括性能增強、安全修復以及 Dragonwell 上專有的一些特性，比如 Wisp 協(xié)程、多租戶、JWarmup、G1 elastic heap 以及 serviceability 上的特性 [2] 等等。Dragonwell 包括 8、11、17 三個版本，而每個版本又包括 standard (和 OpenJDK 基本保持一致) 和 extended (基于 OpenJDK，搭載了 Dragonwell 的各種專有特性) 兩個子版本。而我們當前介紹的 RISC-V 后端支持是在 Dragonwell11 上的 extended 版本上，已在 2023 年 2 月正式 release，其中 Dragonwell11 上的特性如 Wisp 暫時還不支持。

2. RISC-V 指令集架構(gòu)

RISC-V [3] 是一個基于 RISC (精簡指令集) 的指令集架構(gòu)。它主要的特性是開源、模塊化、可擴展性以及非常精簡的指令集。當前的 RISC-V 主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng);而后續(xù)進入服務(wù)器領(lǐng)域也是未來可期的。同時，得到 Arm 等商業(yè)芯片指令集的授權(quán)都需要支付高額的商業(yè)費用，而 RISC-V 是完全開源的指令集架構(gòu)，芯片廠商可以根據(jù)自己的需要做定制化。當前的商業(yè) RISC-V 處理器有如 Alibaba 玄鐵 C910 處理器、SiFive 的 RISC-V 半導體 IP 核等。從開發(fā)的角度而言，它們也都是使用體驗很好的處理器/設(shè)備。

3. OpenJDK on RISC-V

在 2020 年的年末，華為的 Bisheng JDK 團隊開源了基于 OpenJDK 的 RISC-V (64位) 后端實現(xiàn)，約 6w 行代碼的 initial load [4]。Alibaba Dragonwell 團隊也同期參與到了 RISC-V 后端研發(fā)當中。從 Alibaba Dragonwell 團隊的角度，在去年社區(qū)成立 openjdk/riscv-port repo [5] ，隨后 RISC-V 后端正式合并到上游 openjdk/jdk repo [6] 到現(xiàn)在，我們對 OpenJDK RISC-V 后端的貢獻包括在 OpenJDK 上的 RISC-V "C" 壓縮指令擴展這個特性的實現(xiàn);20 余個 bug fixes;部分 enhancements 和 refactoring;以及部分 Loom (協(xié)程) RISC-V port 的支持等。其中 C 擴展的實現(xiàn)已經(jīng)在 OpenJDK 20 上的 RISC-V 后端中默認開啟，可以減小 ~20% 的后端 Java compiled code 的 code size footprint。

02Alibaba Dragonwell11 on RISC-V

為什么是 JDK11?

JDK11 是當前的主流版本。國內(nèi)的 Java 客戶大多都在使用 JDK8，但現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多升級到 JDK11 的趨勢了。默認的 G1 GC (CMS 在后面 JDK 版本中已經(jīng)棄用)、更好的性能、AArch64 后端更好的支持、AppCDS 特性、Safepoint 的 Threadlocal Handshake、能提升代碼性能的 Segmented Code Cache 特性等都可以讓 JDK11 相比于 JDK8 有更多的優(yōu)勢，也是用戶升級 JDK 的動力所在。雖然 JDK11 的確是當下的主流版本，但是社區(qū)上的 RISC-V 后端是在 19/20 這兩個版本中支持的，因此這對于很多 Java 應(yīng)用的維護者來說，升級到這么高的版本的確是略有些遙遠且工作量頗高的事情。所以，如果要嘗試在 RISC-V 上開發(fā) Java 應(yīng)用的話，能繼續(xù)使用 JDK11 應(yīng)該是一個比較好的選擇。

硬件特性支持平頭哥 RISC-V 芯片

因此，Alibaba Dragonwell 團隊將 OpenJDK 上游的 RISC-V 后端移植回了 Dragonwell11 [7] 上，我們會長期維護 Dragonwell11 的版本和后端，同步上游社區(qū)的 bug fixes 保證用戶的使用體驗。從兼容性的角度上講，我們完成了 QEMU / SiFive 開發(fā)板 / 平頭哥開發(fā)板 上的驗證，以及 JCK / jtreg / SPECjbb2015 等各種 benchmark 的支持。Dragonwell11 上的 RISC-V 和上游大部分保持一致;包括基礎(chǔ)的 RVI 指令集支持的同時，我們還支持一部分平頭哥芯片專有的指令集和其生態(tài)，如果在平頭哥的硬件上如 C910，則可以使用 -XX:+UseCSky 開啟相關(guān)的支持。與此同時，我們還支持一些基于 RVV(RISC-V 的向量指令擴展)-0.7.1 的 vector intrinsic 的向量化，在支持 RVV-0.7.1 版本的(如平頭哥的一些 RISC-V 芯片，如開啟 vector 支持的 C910 等)開發(fā)板上可以自動開啟。由于搭載 RVV-1.0 版本的芯片現(xiàn)階段實際上很少，所以 Dragonwell 可能是目前唯一能夠在硬件上運行 RVV 的 JDK。

二進制版本下載

Dragonwell11 的二進制版本 [8] 已經(jīng)于二月份發(fā)布，有興趣的開發(fā)者可以直接從 Github 鏈接下載。此外，Dragonwell11 的 RISC-V 版本已經(jīng)集成進龍蜥的 Anolis 源中，如果是使用 Anolis OS 的用戶可以直接使用 yum 源來安裝 Dragonwell11 JDK。

使用方便的 QEMU Docker 容器鏡像進行模擬

RISC-V 現(xiàn)在還在快速發(fā)展階段中。因此面臨著硬件資源有限的問題：開發(fā)者有時并不容易得到硬件設(shè)備;拿到硬件設(shè)備之后還面臨著需要搭建環(huán)境、初始化網(wǎng)絡(luò)等比較麻煩的操作。在這種情況下，有一個模擬器就是非常有必要的了。主流的模擬器是 QEMU，如果把 QEMU 內(nèi)置在 Docker 鏡像當中，用戶就可以得到最大程度上的使用便利：用戶可以直接在 x86 機器上一鍵模擬 RISC-V 程序。并且，鏡像是 portable 的：因為容器鏡像可以隨時遷移到其他機器上去。我們維護了一個 RISC-V QEMU Docker 鏡像的倉庫 [9]，使用 Debian 的 RISC-V 源。用戶可以直接查看 README 手動構(gòu)建一個 QEMU Docker。省力一些的話，用戶也可以直接將鏡像 pull 下來：

#現(xiàn)只支持x86宿主機 dockerpullmultiarch/qemu-user-static&& dockerrun--rm--privileged--nethostmultiarch/qemu-user-static--reset dockerpullalibabadragonwelljdk/riscv-qemu&& dockerrun-it--rmalibabadragonwelljdk/riscv-qemu/bin/bash

Demo：Springboot 示例

SpringBoot 是非常優(yōu)秀的 Java 應(yīng)用框架，我們可以從官網(wǎng)上 [10] 下載其 Hello World demo 并使用 maven 構(gòu)建。

我們也提供了一個預(yù)編譯好的 SpringBoot demo 以供演示用。

我們可以在實際的物理開發(fā)板上啟動 Java 程序;也可以在上述的 QEMU Docker 中用同樣的命令啟動：

圖/啟動一個簡單的 SpringBoot Hello World 程序 (實際啟動時間可能與圖片上有差別)

03致謝感謝

華為 Bisheng JDK 團隊的開發(fā)同學們的工作，感謝中科院軟件所 PLCT 實驗室團隊對硬件設(shè)施方面給予的幫助。感謝社區(qū) RISC-V 后端的 reviewers 的各種幫助。我們也會持續(xù)輸出并不斷反饋社區(qū)，在社區(qū)的維護上貢獻我們的力量。

04總結(jié)和展望

RISC-V 是一個有前景的指令集，中立和開放是它的兩大優(yōu)勢。在成立了 Datacenter (數(shù)據(jù)中心) SIG 和 HPC (高性能計算) SIG 之后，RISC-V 也開始逐漸向高性能方向逐漸演進。除此之外，就 RISC-V 的軟件生態(tài)而言，RISC-V 上的各種 toolchain (GCC、GDB 等) 的支持也已經(jīng)十分完備，各種操作系統(tǒng) (Ubuntu、Debian) 等都已經(jīng)支持了 RISC-V 指令集，各種開源社區(qū)對相關(guān)軟件的移植的支持也非常積極。Debian-port 上大約 95% 的軟件包都可以在 RISC-V 上使用 [11]，因此用戶的開發(fā)流程是比較流暢的。相比于 x86 平臺的一些復雜指令及一些歷史包袱，RISC-V 具有著較新、指令集簡單、較強的拓展性等特性，已經(jīng) ratify 了多個指令集擴展。隨著社區(qū)的蓬勃發(fā)展，我們相信 RISC-V 架構(gòu)有著光明的前景。

審核編輯：湯梓紅