Quarkus是SpringBoot的替代品嗎？

1 概述

SpringBoot框架不用多介紹，Java程序員想必都知道。相對(duì)來說熟悉Quarkus的人可能會(huì)少一些。Quarkus首頁(yè)放出的標(biāo)語：超音速亞原子的Java（Supersonic Subatomic Java）。

它是為 OpenJDK HotSpot 和 GraalVM 量身定制的 Kubernetes Native Java 框架，基于同類最佳的 Java 庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)制作而成。Quarkus 的到來為開發(fā) Linux 容器和 kubernetes 原生 Java 微服務(wù)帶來了一個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)。

在本文中，我們將對(duì)這兩個(gè) Java 框架 Spring Boot 和 Quarkus 進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較。我們可以更好地了解它們之間的異同，以及一些特殊性。我們還會(huì)執(zhí)行一些測(cè)試來衡量它們的性能。最后，我們會(huì)介紹一個(gè)開發(fā)人員如何從Spring轉(zhuǎn)換到Quarkus。

2 SpringBoot

Spring Boot 是一個(gè)基于 Java 的框架，專注于企業(yè)應(yīng)用。它可以簡(jiǎn)單使用所有 Spring 項(xiàng)目，并集成了許多開箱即用的功能，來幫助開發(fā)人員提高生產(chǎn)力。

Spring Boot減少了配置和樣板代碼的數(shù)量。此外，由于其約定優(yōu)于配置 方法，它根據(jù)依賴項(xiàng)自動(dòng)注冊(cè)默認(rèn)配置，大大縮短了 Java 應(yīng)用程序的開發(fā)周期。

3 Quarkus

Quarkus 是另一個(gè)采用與上述 Spring Boot 類似方法的框架，但還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)，即以更快的啟動(dòng)時(shí)間、更好的資源利用率和效率交付更小的工件 （Supersonic、Subatomic）。

它針對(duì)云、無服務(wù)器和容器化環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。盡管側(cè)重點(diǎn)略有不同， Quarkus 也能與最流行的 Java 框架很好地集成。

4 比較

如上所述，這兩個(gè)框架都與其他項(xiàng)目和框架有很好的集成。但是，它們的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)和架構(gòu)是不同的。例如，Spring Boot 提供兩種類型的 Web 功能：阻塞（Servlets）和非阻塞（WebFlux） 。

另一方面，Quarkus 也提供這兩種方法，但與 Spring Boot 不同的是，它允許我們同時(shí)使用 阻塞和非阻塞方法。此外，Quarkus 在其架構(gòu)中嵌入了反應(yīng)式 編程方法。

為了在我們的比較中獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，我們將使用兩個(gè)完全響應(yīng)式的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序使用 Spring WebFlux 和 Quarkus 響應(yīng)式功能實(shí)現(xiàn)。

此外，Quarkus 項(xiàng)目中最重要的功能之一是能夠創(chuàng)建原生鏡像（Native Images，基于特定平臺(tái)的可執(zhí)行二進(jìn)制文件）。因此，我們還將在比較中包含兩個(gè)原生映像，但 Spring 的原生鏡像支持仍處于試驗(yàn)階段。另外我們需要用到 GraalVM。

測(cè)試應(yīng)用

我們的應(yīng)用程序?qū)?shí)現(xiàn)三個(gè) API：一個(gè)允許用戶創(chuàng)建郵政編碼，另一個(gè)用于查找特定郵政編碼的信息，最后按城市查詢郵政編碼。這些 API 是使用了前面提到的 Spring Boot 和 Quarkus 的反應(yīng)式方法實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)庫(kù)使用的是PostgreSQL。

我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)比 HelloWorld 程序稍微復(fù)雜一些的樣例程序。當(dāng)然，數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)和序列化框架等內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)會(huì)影響我們的比較結(jié)果。但是，大多數(shù)應(yīng)用程序可能都會(huì)需要處理這些事情。

因此，比較的目的并不是為了證明哪個(gè)框架更好或更高效，而是分析研究這些特定實(shí)現(xiàn)的一個(gè)案例。

測(cè)試計(jì)劃

為了測(cè)試這兩種實(shí)現(xiàn)，我們將使用 JMeter 執(zhí)行測(cè)試，并分析其測(cè)試報(bào)告。此外，我們將使用 VisualVM 在執(zhí)行測(cè)試期間監(jiān)控應(yīng)用程序的資源利用率。

測(cè)試將運(yùn)行 5 分鐘，會(huì)調(diào)用所有 API，從預(yù)熱期開始，然后增加并發(fā)用戶數(shù)，直到達(dá)到 1,500。我們將在前幾秒鐘開始填充數(shù)據(jù)庫(kù)，然后開始查詢，如下所示：

所有測(cè)試均在以下規(guī)格的機(jī)器上進(jìn)行：

由于缺乏與其他后臺(tái)進(jìn)程的隔離，最終結(jié)果可能不太理想，但正如前面提到的，我們無意對(duì)這兩個(gè)框架的性能進(jìn)行廣泛而詳細(xì)的分析。

5 調(diào)查結(jié)果

對(duì)開發(fā)人員來說，這兩個(gè)項(xiàng)目的體驗(yàn)都很棒，但值得一提的是 Spring Boot 有更好的文檔，在網(wǎng)上也可以找到更多資料。Quarkus 在這方面正在改進(jìn)，但仍然有點(diǎn)落后。

在指標(biāo)方面，我們有如下結(jié)果：

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們可以觀察到 Quarkus 在 JVM 和原生版本的啟動(dòng)時(shí)間方面幾乎比 Spring Boot 快一倍 。構(gòu)建時(shí)間也快得多。在原生鏡像的情況下，構(gòu)建耗時(shí)：9 分鐘（Quarkus）對(duì) 13 分鐘（Spring Boot），JVM 構(gòu)建耗時(shí)：20 秒（Quarkus）對(duì) 39 秒（Spring Boot）。

Artifact（工件）的大小出現(xiàn)了同樣的情況，Quarkus 生成了更小的工件而再次領(lǐng)先。原生映像：75MB (Quarkus) 對(duì) 109MB (Spring Boot)，以及JVM 版本：4KB (Quarkus) 對(duì) 26MB (Spring Boot)。

關(guān)于其他指標(biāo)，結(jié)論并不是那么顯而易見。因此，我們需要更深入地了解一下。

CPU

我們看到 JVM 版本在預(yù)熱階段開始時(shí)消耗更多的 CPU 。之后CPU使用率趨于穩(wěn)定，所有版本的消耗相對(duì)均等。

以下是 JVM 和 Native 版本中 Quarkus 的 CPU 消耗：

JVM 版的 Quarkus



Native 版的 Quarkus

內(nèi)存

內(nèi)存就更復(fù)雜了。首先，很明顯，兩個(gè)框架的 JVM 版本都為Heap（堆）預(yù)留了更多內(nèi)存 。盡管如此，Quarkus 從一開始就預(yù)留了較少的內(nèi)存 ，啟動(dòng)期間的內(nèi)存利用率也是如此。

然后，查看測(cè)試期間的利用率，我們可以觀察到Native版本似乎不像 JVM 版本那樣有效或頻繁地回收內(nèi)存。可以通過調(diào)整一些參數(shù)來改善這一點(diǎn)，在這個(gè)比較中，我們使用了默認(rèn)參數(shù)，并沒有對(duì) GC、JVM 選項(xiàng)或任何其他參數(shù)進(jìn)行更改。

讓我們看一下內(nèi)存使用圖：

Spring Boot JVM



Quarkus JVM



Spring Boot 原生



Quarkus 原生

在測(cè)試期間盡管Quarkus出現(xiàn)了更高的峰值，但確實(shí)消耗的內(nèi)存資源更少。

響應(yīng)時(shí)間

最后，關(guān)于響應(yīng)時(shí)間和峰值使用的線程數(shù)，Spring Boot 似乎略微具有優(yōu)勢(shì) 。它能夠使用更少的線程處理相同的負(fù)載，同時(shí)還具有更好的響應(yīng)時(shí)間。

Spring Boot Native 版本在這種情況下表現(xiàn)出更好的性能。但是讓我們看看每個(gè)版本的響應(yīng)時(shí)間分布：

Spring Boot JVM

盡管有更多異常值，但 Spring Boot JVM 版本隨著時(shí)間的推移取得了最好的進(jìn)展，這很可能是由于 JIT 編譯器優(yōu)化 [1]。

Quarkus JVM



Spring Boot 原生



Quarkus 原生

Quarkus 在低資源利用率方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的實(shí)力。然而，至少在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Spring Boot 在吞吐量和響應(yīng)能力方面與Quarkus旗鼓相當(dāng)。

這兩個(gè)框架都能夠處理所有請(qǐng)求而沒有任何錯(cuò)誤。不僅如此，他們的表現(xiàn)也十分相似，并沒有太大的差距。

總而言之

考慮到所有因素，在實(shí)現(xiàn) Java 應(yīng)用程序時(shí)，這兩個(gè)框架都是很好的選擇。

Native程序速度快且資源消耗低，是無服務(wù)器、短期（short-living）應(yīng)用和資源消耗敏感環(huán)境的絕佳選擇。

另一方面，JVM 應(yīng)用程序似乎有更多的開銷，但隨著時(shí)間的推移具有出色的穩(wěn)定性和高吞吐量，非常適合健壯、長(zhǎng)壽命的應(yīng)用程序。

測(cè)試程序的代碼和用于測(cè)試它們的腳本可以在 GitHub 上找到 [2]。

6 從 Spring 轉(zhuǎn)換到 Quarkus

隨著K8s的興起，對(duì)原生應(yīng)用支持良好的Quarkus框架也越來越受到關(guān)注很多開發(fā)人員在考慮從 Spring 轉(zhuǎn)換到 Quarkus。然而，開發(fā)人員在開始評(píng)估新的框架時(shí)通常必須擱置他們現(xiàn)有的知識(shí)。

幸運(yùn)的是， Quarkus 不一樣，因?yàn)樗怯梢蝗涸?Java 技術(shù)方面具有深厚專業(yè)知識(shí)的工程師創(chuàng)建的。這包括 Spring API 兼容性，創(chuàng)建Quarkus的工程師同時(shí)也是在 Red Hat Runtime 上為 Spring Boot 提供支持的工程師。

7 我是 Spring 開發(fā)者，為什么要選Quarkus？

越來越明顯的是，容器化，尤其是 Kubernetes，正在迫使人們重新評(píng)估 Java ，用于開發(fā)云原生應(yīng)用程序。Kubernetes 是一種高度動(dòng)態(tài)的共享基礎(chǔ)設(shè)施。由于集群中托管的應(yīng)用程序數(shù)量的增長(zhǎng)以及對(duì)應(yīng)用程序生命周期變化的響應(yīng)能力的提高（例如重新部署和向上/向下擴(kuò)展），基礎(chǔ)設(shè)施的投入變得更加劃算。

傳統(tǒng)的 Java 云原生運(yùn)行時(shí)在現(xiàn)有的棧上增加了新的分層，而沒有真正重新考慮底層。這導(dǎo)致更大的內(nèi)存消耗和更慢的啟動(dòng)時(shí)間，以至于現(xiàn)在很多公司為了從 Kubernetes 集群的大量投資中獲得更多價(jià)值，愿意放棄他們深厚的 Java 專業(yè)知識(shí)，為 Go 和 Node.js 重新培養(yǎng)人才和開發(fā)工具。

傳統(tǒng)云原生 Java 棧

這正是 Quarkus 解決的問題。Quarkus 針對(duì)內(nèi)存使用率和快速啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。與其他云原生 Java 棧相比，在 JVM 上運(yùn)行的 Quarkus 應(yīng)用可以在相同數(shù)量的RAM中提供近兩倍的應(yīng)用程序?qū)嵗⑶耶?dāng)打包為原生二進(jìn)制文件時(shí)，實(shí)例數(shù)量增加了 7 倍。

這不僅僅是使用 SubstrateVM [3]（GraalVM 的一個(gè)特性）簡(jiǎn)單地編譯為原生二進(jìn)制文件。

Quarkus 專為 Kubernetes 的基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化了傳統(tǒng)的 “高度動(dòng)態(tài)”框架 ，從而降低了內(nèi)存利用率并加快了初始啟動(dòng)速度，結(jié)果是運(yùn)行時(shí)效率的顯著提高。這些經(jīng)過優(yōu)化且文檔齊全的框架稱為“擴(kuò)展 ”，由同類最佳的標(biāo)準(zhǔn) API 組成。

運(yùn)行時(shí)效率



Quarkus 棧

我司為什么要從 Spring Boot 遷移到 Quarkus？

以我們公司為例，我司的舊系統(tǒng)基于 Spring 和 Tomcat。當(dāng)我們維護(hù)和部署時(shí)，這個(gè)傳統(tǒng)的框架給我們帶來了一些困擾，基于以下原因我們決定遷移到Quarkus：

內(nèi)存和 CPU 消耗：對(duì)于正在執(zhí)行的操作，Spring 和 Tomcat 框架在應(yīng)用的主要目的之外使用了過多的資源。

預(yù)熱時(shí)間：Spring 應(yīng)用程序可能需要 10-20 秒的時(shí)間才能啟動(dòng)，之后應(yīng)用程序才可以開始預(yù)熱。

無用的代碼：作為開發(fā)人員，我們都討厭樣板代碼（boilerplate code）。

測(cè)試：Quarkus 讓編寫單元測(cè)試和集成測(cè)試變得非常容易。只需在那里打一個(gè)@QuarkusTest 注釋，它實(shí)際上會(huì)啟動(dòng)整個(gè)應(yīng)用程序以運(yùn)行您的測(cè)試。

橫向擴(kuò)展（Scale-out） vs. 縱向擴(kuò)展（Scale-up）：每個(gè)應(yīng)用程序越?。ㄙY源方面），我們可以添加的越多。在這里橫向可擴(kuò)展性勝出。

學(xué)習(xí)曲線：Quarkus 的在線文檔非常簡(jiǎn)單易懂。

8 Spring 開發(fā)者可以活用哪些現(xiàn)有知識(shí)？

Quarkus 的 Spring API 兼容性包括 Spring DI、Spring Web 和 Spring Data JPA。同時(shí)也在計(jì)劃其他 Spring API，如 Spring Security 和 Spring Config。在 JVM 上運(yùn)行時(shí)，Quarkus 應(yīng)用程序幾乎可以利用任何 Java 庫(kù)。只要不使用 Java 反射 ，這些Java庫(kù)就可以編譯為原生。

例如，受 Spring 開發(fā)人員歡迎的 Lombok 庫(kù)就可以原生編譯。需要明確的是，Quarkus 中的 Spring API 兼容性并非為了作為一個(gè)完整的 Spring 平臺(tái)來重新托管現(xiàn)有的 Spring 應(yīng)用程序。目的是為了讓基于 Quarkus 開發(fā)新應(yīng)用程序成為一種自然的入門體驗(yàn)。結(jié)合預(yù)先優(yōu)化的擴(kuò)展 ，Quarkus 為微服務(wù)開發(fā)提供了大量的功能。很多開發(fā)人員已成功將 Spring 應(yīng)用程序遷移到 Quarkus。

Spring 框架本質(zhì)上是高度動(dòng)態(tài)的。為了解決這個(gè)問題，Quarkus的Spring 兼容性擴(kuò)展將 Spring API 映射到現(xiàn)有擴(kuò)展中的 API，這些擴(kuò)展已經(jīng)針對(duì)快速啟動(dòng)、降低內(nèi)存利用率和原生編譯進(jìn)行了優(yōu)化，例如 RestEasy 和 CDI。此外，Quarkus的Spring 兼容性擴(kuò)展不使用 Spring 應(yīng)用程序上下文。由于這些原因，嘗試使用額外的 Spring 庫(kù)可能不會(huì)奏效。

Quarkus Spring Web Example

importjava.util.List;
importjava.util.Optional;
importorg.springframework.web.bind.annotation.*;

@RestController
@RequestMapping("/person")
publicclassPersonController{
@GetMapping(path="/greet/{id}",produces="text/plain")
publicStringgreetPerson(@PathVariable(name="id")longid){
Stringname="";
//...
returnname;
}

@GetMapping(produces="application/json")
publicIterablefindAll(){
returnpersonRepository.findAll();
}

Quarkus Spring Repository Example

packageorg.acme.springmp;

importjava.util.List;
importorg.springframework.data.repository.CrudRepository;

publicinterfacePersonRepositoryextendsCrudRepository{
ListfindByAge(intage);
}

Quarkus Spring Service + MicroProfile Fault Tolerance Example

importorg.eclipse.microprofile.faulttolerance.Fallback;
importorg.eclipse.microprofile.faulttolerance.Timeout;
importorg.eclipse.microprofile.rest.client.inject.RestClient;
importorg.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
importorg.springframework.beans.factory.annotation.Value;
importorg.springframework.stereotype.Service;

@Service//Spring
publicclassPersonService{

@Autowired//Spring
@RestClient//MicroProfile
SalutationMicroProfileRestClientsalutationRestClient;

@Value("${fallbackSalutation}")//Spring
StringfallbackSalutation;

@CircuitBreaker(delay=5000,failureRatio=.5)//MicroProfile
@Fallback(fallbackMethod="salutationFallback")//MicroProfile
publicStringgetSalutation(){
returnsalutationRestClient.getSalutation();
}

9 對(duì)Spring開發(fā)者有額外的好處嗎？

除了提高內(nèi)存利用率和啟動(dòng)時(shí)間外，Quarkus 還為 Spring 開發(fā)人員提供了以下好處：

功能即服務(wù) (FaaS) 。當(dāng)編譯為原生二進(jìn)制文件時(shí)，Quarkus 應(yīng)用程序可以在 0.0015 秒內(nèi)啟動(dòng)，從而可以將現(xiàn)有的 Spring 和 Java API 知識(shí)與 FaaS 功能結(jié)合使用。（Azure、AWS Lambda）

實(shí)時(shí)編碼 。從“Hello World”示例應(yīng)用程序開始，然后將其轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的微服務(wù)，而無需重新啟動(dòng)應(yīng)用程序。只需保存并重新加載瀏覽器即可查看沿途的變化。Quarkus 實(shí)時(shí)編碼“開箱即用”，與 IDE 無關(guān)。

支持反應(yīng)式和命令式模型。 Quarkus 有一個(gè)反應(yīng)式核心，支持傳統(tǒng)的命令式模型、反應(yīng)式模型，或在同一應(yīng)用程序中同時(shí)支持兩者。

早期檢測(cè)依賴注入錯(cuò)誤。 Quarkus 在編譯期間而不是在運(yùn)行時(shí)捕獲依賴項(xiàng)注入錯(cuò)誤。

最佳框架和標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合 。Quarkus 在同一應(yīng)用程序中支持 Spring API 兼容性、Eclipse Vert.x、MicroProfile（JAX-RS、CDI 等）、反應(yīng)式流和消息傳遞等，可以在一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)使用 Spring 和 MicroProfile API。

審核編輯：劉清