優(yōu)化指南：釋放Java更高性能

概述

在過去的十年中，Java 已經(jīng)成為最流行的云編程語言之一。Hadoop、Cassandra 和 Kafka 等流行的云應(yīng)用程序都使用 Java 語言和框架。Java 是一種通用的面向?qū)ο笳Z言，被設(shè)計(jì)為 Write Once Run Anywhere，它依賴于一個(gè) Java 虛擬機(jī)（JVM）來將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為特定應(yīng)用程序所運(yùn)行的體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器代碼。顯然，JVM 在運(yùn)行時(shí)生成的代碼質(zhì)量對(duì)應(yīng)用程序性能至關(guān)重要。

本指南描述了在 Ampere Altra 系列處理器上的 Java 支持狀態(tài)，提供了一種構(gòu)建 OpenJDK 的方法，并比較了不同OpenJDK 版本和二進(jìn)制源代碼的性能。

01Ampere Altra 系列處理器和AARCH64架構(gòu)支持 JAVA 嗎?

OpenJDK 是官方的參考 JVM 實(shí)現(xiàn)。OpenJDK 是自由開源軟件（FOSS），被大多數(shù) Java 開發(fā)人員使用，并且是大多數(shù) Linux 發(fā)行版的默認(rèn) JVM。AArch64 移植已經(jīng)是 OpenJDK 項(xiàng)目的一部分了（見下方網(wǎng)址）。今天，從Java Development Kit 8 （JDK8）開始，OpenJDK 在 AArch64 上得到了很好的支持。

Ampere Altra 和 AmpereAltraMax 處理器從頭開始為云而設(shè)計(jì)，為云原生應(yīng)用提供可預(yù)測(cè)的性能、高可擴(kuò)展性和出色的電源效率。Ampere Altra 計(jì)算核心采用 ARMv8 指令集架構(gòu)（ISA），支持 AArch64 和 AArch32 指令集。目前，各種 Linux 發(fā)行版中包含的 jdk 都支持 Ampere Altra 家族處理器，但 JDK17 等較新的長期支持（LTS）版本可以提供明顯更好的性能。

02從哪里可以獲取 OPENJDK？

用于 Ampere Altra 系列處理器的 OpenJDK 二進(jìn)制文件可以從幾個(gè)來源獲得。Linux 發(fā)行版通過各自的包存儲(chǔ)庫提供 OpenJDK。Adoptium 是預(yù)構(gòu)建 OpenJDK AArch64 二進(jìn)制文件的另一個(gè)來源。

OpenJDK 有許多發(fā)布版本，但只有表 1 中列出的版本具有 LTS 發(fā)布限定符（LTS release qualifier）。不同的 OpenJDK 發(fā)行版可能提供表1所示的生命終止日期（End of Life）。

表 1：OpenJDK LTS

03如何構(gòu)建 OPENJDK？

Linux 發(fā)行版提供了不同的方式來安裝 OpenJDK，例如 yum 存儲(chǔ)庫用于 RHEL 和 CentOS, apt 存儲(chǔ)庫用于 Ubuntu 或 Debian。

對(duì)于自定義構(gòu)建 OpenJDK，本節(jié)列出了如何從源代碼構(gòu)建 OpenJDK 的推薦步驟。

在構(gòu)建 OpenJDK 時(shí)建議使用 GCC。不同的 GCC 版本有不同的 AArch64 選項(xiàng)，如表 2 所示。

表 2：GCC Options

構(gòu)建 OpenJDK 用到了一下配置和選項(xiàng):

bash configure --with-alsa=/usr --with-alsa-lib=/usr/lib64 --with-cacerts-file=/etc/pki/java/cacerts --with-cups=/usr --with-debug-level=release --with-native-debug-symbols=none --with-extra-cflags="-pipe -fPIC -DPIC -Wl,-rpath=/usr/lib64 -L/usr/lib64 -mcpu=neoverse-n1" --with-extra-cxxflags="-pipe -fPIC -DPIC -Wl,-rpath=/usr/lib64 -L/usr/lib64 -mcpu=neoverse-n1" --with-extra-ldflags="-Wl,-rpath=/usr/lib64 -L/usr/lib64" --with-stdc++lib=dynamic --with-target-bits=64 --with-zlib=system --x-includes=/usr/include --x-libraries=/usr/lib64 --with-boot-jdk= --prefix= 
make images 
make install

04性能的影響因素

讓我們來評(píng)估一些通過基本調(diào)優(yōu)就可能實(shí)現(xiàn)的性能改進(jìn)。我們?cè)诨?Ampere Altra q80 -30 的服務(wù)器上使用 SPECjbb2015，這是一種在復(fù)合模式下流行的標(biāo)準(zhǔn)化 Java 基準(zhǔn)測(cè)試。系統(tǒng)配置如表 3 所示:

表 3：System Configuration

評(píng)估中使用了如下的 OpenJDK 選項(xiàng)：

-Xms130560m -Xmx130560m -Xmn123g -XX:SurvivorRatio=39 -XX:ObjectAlignmentInBytes=32 -XX:TargetSurvivorRatio=95 -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:MetaspaceSize=64m -server -XX:+AlwaysPreTouch -XX:-UseAdaptiveSizePolicy -XX:-UseCountedLoopSafepoints -XX:-UsePerfData -XX:+PrintFlagsFinal -XX:+UseTransparentHugePages -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=80 -XX:AllocatePrefetchDistance=512 -XX:AllocatePrefetchLines=4 -XX:InlineSmallCode=2k -XX:TypeProfileWidth=4 -XX:SoftwarePrefetchHintDistance=128 -XX:+AvoidUnalignedAccesses -XX:BlockZeroingLowLimit=64K -XX:+UseBlockZeroing -XX:-UseSIMDForArrayEquals -XX:+UseSIMDForMemoryOps

這些是 SPECjbb 的屬性：

-Dspecjbb.customerDriver.threads=64 -Dspecjbb.customerDriver.threads.service=64 -Dspecjbb.customerDriver.threads.probe=64 -Dspecjbb.customerDriver.threads.saturate=96 -Dspecjbb.forkjoin.workers=80 -Dspecjbb.forkjoin.workers.Tier1=80 -Dspecjbb.forkjoin.workers.Tier2=1 -Dspecjbb.forkjoin.workers.Tier3=16 -Dspecjbb.comm.connect.selector.runner.count=4 -Dspecjbb.controller.type=HBIR_RT -Dspecjbb.controller.port=24000 

*注*：我們的測(cè)試并不是為了達(dá)到絕對(duì)的最佳性能，而是為了研究使用不同的編譯器選項(xiàng)和版本來提高性能。

以下是相同 OpenJDK 版本的三個(gè)源代碼:

CentOS repository

Adoptium prebuilt binary

Self-built binary

使用“如何構(gòu)建 OpenJDK”一節(jié)中描述的方法從 Adoptium 源代碼構(gòu)建自建（self-built）二進(jìn)制文件。表 4 列出了用于這些二進(jìn)制文件的 JDK 提供程序和 GCC 版本。

表 4：JDK Providers and GCC Versions

使用 SPECjbb2015 Composite Max-jOPS 作為性能指標(biāo)，以 centos 提供的 JDK8 數(shù)據(jù)作為基線，圖 1 顯示了來自不同來源的 JDK8 和 JDK11 的性能。

圖 1：SPECjbb2015 JDK8 and JDK11 Performance

from Various Sources

對(duì)于特定的 OpenJDK 版本，最新的 centos 提供的二進(jìn)制文件、Adoptium 二進(jìn)制文件和自構(gòu)建（self-built）二進(jìn)制文件的性能相似，這表明 OpenJDK 社區(qū)對(duì) AArch64 和 Ampere Altra 系列處理器的支持已經(jīng)非常友好。

比較來自同一源代碼（centos 提供的二進(jìn)制）的不同 OpenJDK 版本，OpenJDK17 是 Ampere Altra 系列處理器上性能最好的版本。圖 2 顯示，從 JDK8 到 JDK11, Max-jOPS 提高了 6%，從 JDK8 到 JDK17 提高了 12%。

圖 2：Performance Across OpenJDK Versions

表 4 列出并比較了不同 JDK 版本上特定于 aarch64 的 OpenJDK 選項(xiàng)。使用此命令可以獲取這些選項(xiàng):

java -XX:+PrintFlagsFinal -version

表 5：OpenJDK AArch64 options

因?yàn)?Ampere Altra 系列處理器功能上已經(jīng)支持了原子操作和 crc32 的實(shí)現(xiàn)，在使用 Altra 和 Altra Max 處理器的進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)，UseLSE 和 UseCRC32 選項(xiàng)會(huì)自動(dòng)啟用。

這意味著，即使沒有像“-march=armv8.2-a”或“-mcpu=neoverse-n1”這樣的編譯選項(xiàng)，OpenJDK 也可以為 Ampere Altra 系列處理器生成優(yōu)化的代碼。

結(jié)論

OpenJDK 是 Java 平臺(tái)的自由/開源軟件實(shí)現(xiàn)，是云計(jì)算中實(shí)際使用的 JDK。在本文中，我們看到 OpenJDK 可以無縫地移植到 Ampere Altra 系列處理器上，并且在其上有著非常出色的性能。OS 發(fā)行版和 Adoptium 提供的最新預(yù)構(gòu)建（ pre-built）二進(jìn)制文件的性能與從源代碼構(gòu)建 JDK 一樣。也就是說，使用最新的OpenJDK LTS 版本 17 就可以獲得更高的性能。像往常一樣，我們建議使用更新版本的 GCC 編譯器和針對(duì)體系架構(gòu)的選項(xiàng)從源代碼構(gòu)建 OpenJDK。

審核編輯：湯梓紅