引言

現狀和背景

Spring框架是廣泛使用的Java開發框架之一，它提供了強大的功能和靈活性，但在大型應用中，由於Spring框架的複雜性和依賴關係，應用的啟動時間和效能可能會受到影響。這可能導致開發過程中的遲緩和開發效率低下。優化Spring應用程式的啟動速度和效能是一個重要的任務，通過分析和優化應用的初始化過程、減少不必要的依賴和元件載入、並利用非同步初始化、懶載入等技術，可以顯著改善應用的啟動效能。這將幫助開發者提高開發效率、減少偵錯時間，並提供更好的使用者體驗。

線上的業務 jar 包基本上普遍比較龐大，動不動一個 jar 包幾百 M，啟動時間在10分鐘級，拖慢了我們在故障時快速擴容的響應、以及本地開發偵錯效率。於是做了一些分析，看看 Spring 程式啟動慢到底慢在哪裡，如何去優化，目前的效果是大部分大型應用啟動時間可以縮短 70%~80%。

主要有下面這些內容

SpringBean 載入耗時 timeline 視覺化分析（✅）
SpringBean 的視覺化依賴分析（✅）
應用未載入的jar包(Jar瘦身)（✅）
應用啟動過程執行緒wall clock火焰圖（✅）

重要性和影響

◦ 開發效率提高：較快的應用啟動速度可以顯著減少開發和偵錯的時間。開發人員能夠更快地啟動應用程式，進行功能測試和偵錯，從而提高開發效率和迭代速度。

◦ 部署和擴充套件效率提升：優化啟動速度可以減少部署和擴充套件應用程式的時間和成本。快速啟動的應用程式可以更快地響應負載變化，提高系統的可伸縮性和彈性。

◦ 資源利用率優化：通過減少初始化時間和優化資源載入，可以降低應用程式的記憶體和CPU佔用率。這有助於提高伺服器的利用率，並降低執行應用程式的成本。

分析工具

Arthas：Arthas是一個開源的Java診斷工具，可以實時監控和診斷Java應用程式。它提供了豐富的命令和功能，用於分析應用程式的效能問題，包括啟動過程中的資源消耗和載入時間。
JVM Sandbox：JVM Sandbox是一種基於Java安全管理器的技術，用於隔離和限制Java應用程式的存取許可權。它可以幫助減少啟動時的資源消耗和載入時間，提高應用程式的啟動速度。
Async Profiler：Async Profiler是一個低開銷的非同步Java效能分析工具，用於收集和分析應用程式的效能資料。它可以幫助你找出啟動過程中的效能瓶頸，以及其他影響啟動速度的問題。
啟動加速-非同步初始化方法：非同步初始化方法是一種啟動加速的技術，通過將一些初始化任務非同步執行，可以減少啟動時間並提高應用程式的響應性。這可以通過使用執行緒池、非同步框架或非同步註解等方式來實現。
Spring Boot Startup Report：Spring Boot Startup Report是一個用於生成Spring Boot應用程式啟動報告的工具。它可以提供詳細的啟動過程資訊，包括每個bean的載入時間、自動設定的耗時等，幫助你分析和優化啟動過程。
Jaeger UI： Jaeger UI是一個用於視覺化和分析分散式追蹤資料的工具。通過使用Jaeger UI，你可以監控和分析應用程式的啟動過程，識別潛在的效能問題和瓶頸。
Spring Startup Analyzer：Spring Startup Analyzer是一個用於採集Spring應用程式啟動過程資料並生成互動式分析報告的工具。它的目標是幫助分析Spring應用程式的啟動卡點，並支援Spring Bean的非同步初始化，以減少優化Spring應用程式的啟動時間。該工具支援在Linux、Mac和Windows作業系統上執行，並參考了spring-boot-startup-report實現其使用者介面。使用Spring Startup Analyzer，可以收集應用程式的啟動過程資料，並生成視覺化的HTML報告。這個報告可以幫助你分析Spring應用程式的啟動效能，並找出潛在的優化機會。

Spring Startup Analyzer優化方案

藉助Spring startup analyzer的能力，我們以業務線的ARK專案為例，深入研究如何優化提效Spring專案的啟動過程。下面我們先觀察下ARK的基本啟動情況：

啟動概覽

Startup Time(s)：啟動時長
Num of Bean：初始化的Bean數量
Used/Total Jars：使用Jar數量/總量
Unused/Total Jars：未使用Jar數量/總量
ClassLoader Count：類載入器數量

Spring Bean初始化詳情

Name：一級name對應著Bean的名稱
Duration with children (ms) ：Bean的參照載入時長
Duration (ms) ：Bean本身的載入時長
Detail：包含類載入器、載入該Bean的執行緒資訊（非同步載入的話會有多個不同的）

SpringBean 載入耗時 timeline 視覺化分析

這個觀察項可以一直下探，直到Bean參照的最末級，可以看出每一級的載入時長

應用啟動過程執行緒wall clock火焰圖

如何看懂火焰圖

y 軸表示呼叫棧，每一層都是一個函數。呼叫棧越深，火焰就越高，頂部就是正在執行的函數，下方都是它的父函數。

x 軸表示抽樣數，如果一個函數在 x 軸佔據的寬度越寬，就表示它被抽到的次數多，即執行的時間長。注意，x 軸不代表時間，而是所有的呼叫棧合併後，按字母順序排列的。

火焰圖就是看頂層的哪個函數佔據的寬度最大。只要有"平頂"（plateaus），就表示該函數可能存在效能問題。

顏色沒有特殊含義，因為火焰圖表示的是 CPU 的繁忙程度，所以一般選擇暖色調

火焰圖總覽

從總覽圖中可以看出，有三個入口函數佔用百分比較大，下面分別看一下

火焰區域性圖1

這部分火焰圖可以看出，springfox在啟動過程做了很多初始化，佔了大量時間，對於不需要該功能的專案，可以直接下掉

火焰區域性圖2

瞭解下spring bean 的初始化過程

從這個圖中可以看出，bean的建立過程也佔了很多時間

火焰區域性圖3

從這個圖中可以看出，註冊BeanPostProcessor也耗費了大量時間

應用未載入的jar包(Jar瘦身)

這一個觀察項可以蒐集到專案啟動完之後，沒有用到的Jar包

實施與優化效果

操作步驟和設定項

安裝Spring Startup Analyzer

手動安裝

點選realease下載最新版tar.gz包
新建資料夾，並解壓

linux/mac系統可以考慮使用以下命令：

mkdir -p ${HOME}/spring-startup-analyzercd 下載路徑
tar -zxvf spring-startup-analyzer.tar.gz -C 安裝路徑/spring-startup-analyzer

指令碼安裝(linux/mac)

curl -sS https://raw.githubusercontent.com/linyimin0812/spring-startup-analyzer/main/bin/install.sh | sh

指令碼預設安裝路徑：$HOME/spring-startup-analyzer

應用啟動

spring-startup-analyzer是以agent的方式啟動的，所以在啟動命令中新增引數-javaagent:安裝路徑/spring-startup-analyzer/lib/spring-profiler-agent.jar即可。

以java命令列的方式啟動應用，則在命令列中新增引數，例如：

java -javaagent:/Users/runner/spring-startup-analyzer/lib/spring-profiler-agent.jar \
    -Dproject.name=mac-demo \
    -Dspring-startup-analyzer.admin.http.server.port=8066 \
    -jar /Users/runner/spring-startup-analyzer/ARK.jar

IDEA中啟動，則需要在VM options選項中新增：

紀錄檔檔案路徑：安裝路徑/spring-startup-analyzer/logs

startup.log: 啟動過程中的紀錄檔
transform.log: 被re-transform的類/方法資訊

應用啟動完成後會在console和startup.log檔案中輸出======= spring-startup-analyzer finished, click http://localhost:xxxx to visit details. ======，可以通過此輸出來判斷採集是否完成。

啟動時間和效能改善情況

優化之前

預發平均啟動10分鐘，本地無法啟動，每次需求需要提交到預發環境驗證，開發和發版週期比較長，且預發環境連線的生產庫，不能隨便造數。專案參照585個jar，其中有337個jar沒用到。

慢bean分析

分析可以看到，耗時排名前面的介面都是jsf相關的載入，還有一個es相關的bean。

功能路徑：Details of Method Invoke --> AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBean

jsf啟動優化

注：index=「註冊中心地址」中的「註冊中心地址「做了匿名，在具體場景檢視自己程式碼中的設定

jsf的生產者的註冊中心在啟動的時候，會拉取一批ip，不斷嘗試註冊jsf，在辦公環境這些ip無法存取，導致啟動過程一直重試

    <!-- 預發、生產的註冊中心 -->
    <jsf:registry id="jsfRegistry" protocol="jsfRegistry" index="註冊中心地址"/>

在本機host裡面增加jsf釋出地址的host設定,下面*...* 在使用的時候替換成自己的，可以 ping test.註冊中心地址獲取。「註冊中心地址」替換成上面index後面的地址

*.*.*.* 註冊中心地址

再次啟動專案，時長來到185s

開啟Bean懶載入

將ES的Bean初始化進行懶載入，以及開啟全域性懶載入，時長來到131s；

全域性懶載入：

1、根據spring版本的不同，開啟全域性懶載入的方式可能會不相同

2、不建議生產環境開啟全域性懶載入，因為基本上我們的服務都是部署在k8s上的，有可能服務在伸縮的時候，在存取量大的時候，由於懶載入的設定，服務快速啟動成功了，會返回給docker容器服務已經準備就緒狀態，導致k8s把流量分給該服務，導致預想不到的問題。

Jar瘦身

對於應用未使用的jar包，可以謹慎剔除，在剔除的時候一個一個下，每下一個都要重複編譯和啟動驗證是否會對專案造成影響，這是一個持續和長期的過程，Jar瘦身不僅對啟動時長有收益，而且對編譯提效很明顯，減少了大量的Jar複製過程

最終效果

做完上述優化之後：

本地能夠啟動和debug專案，這對開發人員來說有極大的提效。
預發使用該方案進行優化之後，能夠縮短專案編譯以及釋出的時間，對於快速驗證和迭代需求有極大提效。
整體啟動效率提升70%~80%。
在intel晶片電腦，啟動速度在2min11s。
在m1晶片的電腦，速度會更快，大概啟動時間在90s左右。
使用該思路，可以優化大部分spring以及spring boot專案，建議定期做一輪這種排查和優化。

優化關鍵點和方法

去除未使用的jar包：定位未使用的jar包。通過分析和整理專案依賴，可以將這些未使用的jar包從應用中移除，減少編譯、啟動時間和資源消耗。
優化慢速的Bean初始化：找到啟動耗時較長的Bean。可以考慮對這些介面和Bean進行優化，例如使用延遲載入或非同步載入的方式，以減少啟動時的耗時。
取消不需要的釋出：對於本地開發環境而言，如果不需要釋出jsf介面，可以在本地取消這部分的釋出，以節省啟動時間。
開啟全域性懶載入：通過開啟全域性懶載入，可以延遲載入一些不必要的元件和資源，從而減少啟動時間。確保在需要使用時才進行載入。
拆分大型元件：定位載入時間較長的元件，可以考慮將其拆分成多個元件，並在啟動時只載入需要的部分。這樣可以減少啟動時的載入時間和資源消耗。
使用效能分析工具：結合之前提到的效能分析工具，如Spring Startup Analyzer、Java Profiler、VisualVM等，對應用進行效能分析。通過監測和分析應用的效能資料，可以找到效能瓶頸，並針對性地進行優化。
定期進行程式碼優化和重構：定期審查和優化程式碼，識別和消除潛在的效能問題。使用優化的演演算法和資料結構，減少不必要的計算和迴圈，優化資料庫查詢等，以提高應用的效能。
使用快取機制：合理地使用快取來減少對資料庫或其他資源的頻繁存取。通過快取常用資料或計算結果，可以顯著提升應用的響應速度和效能。
並行化處理：如果有一些獨立的任務可以並行處理，可以考慮使用多執行緒或非同步機制來提高處理速度和效率。

資訊補充

oracle jdk8下載地址

https://www.oracle.com/java/technologies/downloads/

oracle登入賬號

請聯絡作者提供免費賬號

本地redis安裝

https://redis.io/docs/install/install-redis/install-redis-on-windows/

spring-startup-analyzer啟動分析工具

https://github.com/linyimin0812/spring-startup-analyzer/blob/main/README_ZH.md

作者：京東健康樑燦

來源：京東雲開發者社群轉載請註明來源

高效開發與設計：提效Spring應用的執行效率和生產力

引言