Java正青春：现状与技术趋势报告
发布时间：2021-08-03 09:57:28 已帮助：97人
背景
1991年，James Gosling带领团队开始了一个叫"Oak"的项目，这个就是Java的前身。1995年，Java1.0发布。“Write once,run anywhere"这句Java口号想必大家耳熟能详。Java刚开始出现的时候主要面向Interactive Television领域，直至后来几年的发展，当时的SUN（后来在2010年被Oracle收购）一度想用Java来打造桌面的网络操作系统，取代当时如日中天的Windows。不过Java后来的发展，不曾想虽未在桌面领域内取得多大的建树，出乎意料地，却在企业级应用领域开花结果，占据了如今几乎统治的地位。失之東隅，却收之桑榆。
JavaSE开源现状
Sun在2006年的Java One大会上，宣布Java技术开源，随后2006年底在GPL协议下发布HotSpot以及javac，这是Java发展中的里程碑事件。阿里巴巴最早在2012签署OCA，并参与到了OpenJDK的开发。
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OpenJDK是JavaSE开源的Reference Implementation。在JavaOne 2017的Keynote上(2018年JavaOne被Oracle重命名为CodeOne)，Oracle承诺将开源所有的OracleJDK里包含的商业实现功能[1]。
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在2018年发布的Java11，Oracle已经让OpenJDK和Oracle JDK两者的二进制文件在功能上尽可能相互接近，尽管OpenJDK与OracleJDK两者在一些选项之间仍然存在一些差异[2]。
另外，除了OpenJDK这条主线，在最近的几年里，Java基础技术的开源有愈演愈烈趋势：2017年，IBM将内部使用20多年之久的J9虚拟机开源，并贡献到Eclipse Foundation，而随后2018年，Oracle开源GraalVM 1.0，其核心包含用Java写的Just-in-Time compiler/Graal,SubstrateVM以及支持多语言解释器的Truffle框架。各个企业开源的主要动机，想通过开源构建并受益于一个更为强大的语言生态系统。
云+开源结合在一起，使得普通开发者以较低的门槛获得工具(链)的使用和体验，任何一家企业都可以像任何大型组织一样，使用的相同技术(democratizing)，这是开发者的黄金时代。
Java is Still Free:你该选择什么样的JDK？
Java仍然免费，但随着OracleJDK License变化开始转向收费，OpenJDK会逐渐取代OracleJDK成为市场主流，这点也可以从JVM 2020生态报告中看出趋势：OracleJDK从前一年的70%的开发者选择使用率降到2020年的34%。
OracleJDK收费，在客观上也加剧了OpenJDK生态的碎片化趋势，出现了包括Alibaba Dragonwell在内的多个基于OpenJDK的可选实现。
企业在选择使用那个Java Vendor的JDK版本时，几个方面的考虑因素可以参考：
安全与稳定：是否会及时同步上游的最新更新，包括安全补丁，关键的问题修复等。
JavaSE标准兼容：是否与标准Java兼容。
性能与效率：是否可以在问题诊断，性能调优方面提供有效的工具支持，帮助一线的开发同学高效地解决Java问题。在JVM，到JDK(Class library)层面，是否有面向企业业务场景的优化特性，可以帮助提升资源的利用率，生产系统的稳定性等等。
快速的新技术采纳：伴随收费，Oracle管理Java版本生命周期采用了Long Term Support(LTS)的概念，Oracle每三年会指定一个LTS的Java版本，Java 8/11都是LTS版本。大部分企业，尤其是大中型企业很难跟上Java每六个月一发布的节奏，像Java 12，13这样的Feature Release(FR)版本。那么问题来了，如果你选择Stay在LTS版本上，比如Java 11，在新版本(Java11+)发布的JVM/JDK技术，是否可以在不升级的情况下，提前享受这些技术红利？
这里分享下Alibaba Dragonwell在这些方面的计划与思考。
Alibaba Dragonwell是阿里巴巴内部广泛使用的AJDK(AlibabaJDK)的开源版本，Alibaba Dragonwell作为基石，支撑了阿里经济体内几乎所有的Java业务，经过了双11等大促的考验。Alibaba Dragonwell主要针对的场景是数据中心大规模Java应用部署情况下，Java应用稳定性、效率以及性能的优化与提高。
2019年3月阿里开源Alibaba Dragonwll 8.0.0，我们也一直正在践行开源时候的承诺，AJDK内部使用的特性在逐步开源。到刚刚发布Alibaba Dragonwell 8.3.3，我们已经开源了JWarmup，ElasticHeap，多租户，JFR等众多功能，协程Wisp 2.0，GCIH等也在开源的规划上。
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同时，Alibaba Dragonwell作为OpenJDK的下游，每个发行版都会同步上游最新更新，包括安全更新，问题修复等，并经过阿里内部大规模的应用集群测试。
在新技术Adoption方面，Alibaba Dragonwell目前发布和维护了Java 8,11两个LTS版本，阿里JVM团队会根据实际业务状况，移植Java11+的相关功能到Java 8和11两个版本，这样Alibaba Dragonwell用户可以在不跟进Java 12,13等这些FR版本的情况下，提前享受这些功能带来的技术红利。
OpenJDK技术趋势
纵观Java技术20多年的发展，始终围绕着两大主题：Productivity以及Performance。在很多情况下，Java在设计上Productivity是优于Performance考虑的。Java引入的Garbage Collector把程序员从复杂的内存管理中解脱出来，但在另一方面Java应用始终困扰于GC暂停时间的影响。Java基于栈式虚拟机的中间字节码设计，很好地抽象了不同平台(Intel,ARM等)的差异性，同时通过Just-in-Time(JIT)编译技术，解决的Java应用peak性能,但在另一方面JIT不可避免引入了Warmup的代价，正常情况下Java程序永远需要先load class，解释执行，然后再到高度优化的代码执行。
如果从JVM视角来总结梳理下目前OpenJDK社区正在发生，孵化的相关技术，主要从工具，GC，编译器，以及Runtime四个方面进行一个主要概括：
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JFR/JMC
Oracle从Java 11开源了其之前一直作为商业功能的JFR，JFR是功能强大的Java应用问题诊断与性能剖析工具。阿里巴巴也是作为主要的贡献者，与社区包括RedHat等，一起将JFR移植到了OpenJDK 8，预计2020年7月即将发布的OpenJDK 8u262(Java8)将会默认带有JFR功能，这样Java 8的用户可以基于这个版本免费使用JFR功能。
ZGC/Shandoath
无论是Oracle在Java 11发布的ZGC，还是RedHat已经做了好几年的Shandoath，都实现了concurrent copy GC，解决Large Heap情况下的GC停机性能。ZGC最新状态，在9月份即将发布的JDK 15，ZGC将从Experimental功能变为生产可用[3]。实际上，在AJDK 11上，阿里巴巴团队JVM团队已经做了大量Java 11+到Java 11的ZGC移植工作，以及相关问题修复，2019年双11和阿里数据库团队一起，让数据库应用运行在ZGC上，100+GB Heap情况下GC暂停时间可以保持在<10ms以内，详细讨论参考[4]。
Graal
用Java开发的新一代Just-in-Time编译技术，用来替代目前HostSot JVM的C1/C2编译器，OpenJDK上的Ahead-of-Time(AOT)技术也是基于Graal编译器开发。
Loom
OpenJDK社区协程项目，对应于AJDK的Wisp 2.0实现，详细讨论可以参考[5]。
进击的Java：面向未来演进
2020，站在一个全新的节点上，本文也从三个大的方面Cloud Native，AI，以及多语言生态三个方面展望下未来的发展，有些讨论本身是超越Java本身的。
面向Cloud Native的语言进化
云原生时代，软件的交付方式发生的根本性变化。以Java为例，在之前Java开发者交付的是应用本身，具体体现在以"jar","war"的形式交付,而云原生则是以Container为交付单位的：
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在运行方面，面向Cloud Native的应用要求：
Reactive
Always Watching
Extreme low memory footprint
Quick boot time
Java语言作为企业计算，互联网领域的王者，拥有一致性，丰富的构建在Java语言之上的生态系统，丰富的三方库，多样的Serviceability支持等，随着云时代应用微服务化，Serverless，这些新的架构逐渐触及到了Java程序速度提升的天花板——Java自身的启动运行开销。
在Cloud Native这个新的上下文里，我们谈论语言的进化，绝不仅仅限于运行时，编译器层面，新的计算形态一定伴随着编程模型的变革，这涉及围绕程序语言的Library，Framework，Tools等一系列配套的改革。从目前业界来看，也有不少的项目正在发生：配合GraalVM/SVM(Java静态编译技术)的下一代编程框架Quarkus,Micronaut,以及Helidon，Quarkus更是提出了“container first”，他们提倡的分层的lightweight uber-jar的概念正是符合了container交付这一趋势。而Red Hat的Java团队与OS团队合作的"Checkpoint Restore Fast Start-up"技术(AZul在JVM技术峰会'2019上也提出过类似的想法)则是在更加底层的技术栈上解决Java快速拉起问题。
在Java for Cloud Native方向，我们也开展了相关研发工作。Java是静态语言，但是包含了大量的动态特性，包括反射，Class Loading，Bytecode Instrument(BCI)等等，这些动态特性本质上都是违反GraalVM/SVM所要求的Closed-World Assumption(CWA)原则，这也是导致传统跑在JVM的Java应用不容易在SVM编译运行的主要原因。阿里巴巴JVM团队对AJDK做了静态化裁剪，务求在Java静/动态特性之间找到一个确定的边界，从JDK的层面为Java静态编译提供可能性。同时向上，与蚂蚁中间团队合作，定义面向静态编译的Java编程模型，通过编程框架来约束-Java应用的开发是面向静态编译友好的。我们静态编译了基于蚂蚁开源中间件SOFAStack构建的服务注册中心Meta节点应用，相较于传统的运行在JVM上，性能有量级的提升：服务启动时间降低了17倍，可执行文件大小降低了3.4倍，运行时内存降低了一半。详见[6]。
AI的兴起，编程语言异构计算的新挑战
2005年，时任Intel CTO的Justin Rattner，说过“We are at the cusp of a transition to multicore,multithreaded architectures”，在前后的十几年中，编程语言与编译器领域一直在努力面向parallel architectural paradigm做优化探索。随着AI这些年的兴起，不同的时间节点，相似的场景，面向FPGA/GPU异构计算场景，对编程语言与编译器领域提出了新的挑战。
除了传统Compiler诸如IBM XL Compilers,Intel Compilers等做的Automatic Parallelizing工作，在极致性能探索方面，基于多面体模型(polytope model)的编译优化技术作为解决程序并行化、数据局部性优化的一种手段，成为编译优化领域的研究热点。
而在Parallel Languages层面，对C&C++开发人员，CUDA的出现降低了GPU的编程门槛，但GPU和CPU两种硬件模型本质区别，导致过高的开发成本，需要学习和了解更多底层硬件细节，还更不用说更高级语言的开发语言像Java等所面临的底层硬件模型与高级语言之间巨大的GAP。
在Java领域，最早在JVM技术峰会'2014，AMD曾经分享过他们的Sumatra项目，尝试实现JVM与Heterogeneous System Architecture目标硬件交互。而在最近，由The University of Manchester发起的TornadoVM项目，实现包含：一个Just-in-Time编译，支持从Java bytecode到OpenCL的映射，一个优化的运行时引擎，以及可以保持Java堆和异构设备堆内存一致性的内存管理器。TornadoVM的目标是开发人员不需要了解GPU编程语言或者相关的GPU体系结构知识就可以编写面向异构的并行程序。TornadoVM可以透明地运行在AMD GPUs,NVIDIA GPUs,Intel integrated GPUs以及multi-core CPUs上。
在通用CPU领域，OpenJDK社区的Vector API项目(Panama的子项目)，依赖CPU的SIMD指令，获得计算性能的成倍提升，Vector API在大数据，AI计算也有非常广的应用场景。阿里JVM团队把Vector API移植到了AJDK 11。
Polyglot Programing，链接多语言生态
Polyglot Programming并不是一个新的概念。在Managed Runtime领域，2017年IBM开源Open Managed Runtime(OMR),以及2018年Oracle开源Truffle/Graal技术。OMR和Graal技术让开发人员实现一个新的语言成本大幅下降。前者OMR以C、C++组件的形式提供了Garbage Collection(GC),Just-in-Time(JIT）以及Reliability,availability and serviceability(RAS，工具)等,开发人员可以依赖这些组件，通过'glue'的方式基于这些组件实现自己的高性能语言。而后者Truffle/Graal,Truffle是一个依赖AST parser实现新的语言的Java框架，本质上是将你的新的语言映射到JVM世界。不同于Scala,JRuby这些围绕JVM生态本身构建的语言，他们本质是还是Java，无论是OMR，还是Truffle/Graal，他们都提供了生产级的GC，JIT，以及RAS服务支持，新开发的语言完全不需要再重新实现这些底层技术。
从业界来看，面向特定领域的Domain Specific Language(DSL)语言已经有向这些技术迁移的趋势，高盛正在与Graal社区合作，把他们的DSL迁移到Graal上。另外Ruby/OMR,Python/Graal，JS/Graal，WASM/Graal等这些真正链接不同语言生态的项目，也正在迅速发展起来。
回到AJDK，Graal已经在AJDK 8开始支持，JS/Graal这样成熟的技术，已经在阿里内部业务上线。
最后
Java是一项二十多年前被发明出来的技术，她历经磨难，几易其主，但却历久弥新。这篇报告旨在为Java的开发者们梳理下目前的Java技术现状，以及讨论在云，AI等这些重要领域内Java技术的演进趋势。在介绍的相关部分，我们也穿插了阿里的一些工程实践。作为世界上的Java用户之一，我们也一直在探索把前沿的Java技术，通过在阿里丰富的业务场景的试验，真正把这些技术应用于真实的生产环境。我们也非常乐于分享和贡献Java领域的经验、实践与技术洞见，包括明天即将发布的《Java开发手册》，共同促进Java的发展。
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