有了服务网格，这些Java微服务框架你还会选吗？

至今，Java仍旧是用来构建Web应用的最流行编程语言之一 —— 但是它不得不面对诸如Go，Python和TypeScript等新语言的严峻挑战。
该Java世界里，Spring框架早已成为微服务开发的事实标准。通过使用诸如Spring Boot和Spring Data这样的库，Spring框架变得简单易用，并且大部分情况下，开发过程高效、无痛点。
然而，最近几年一些新框架不断涌现，声称可以降低Java应用的启动时间和内存占用。我最近一直在用Java去设计大型的微服务架构应用，在做设计之前，我查了哪些Java框架最合适微服务架构。
我主要关注在框架带来的易用性和资源管理。
Spring虽然是Java平台最流行的框架，但是从来没有人说它是最好的框架。在资源管理这方面，尤其是单进程所需要的性能开销这块，Spring差强人意。在应用服务器开发的旧时代，这不是一个大问题，因为进程实例数量不多。然而，随着微服务架构的崛起，我们会有大量的进程，这就使得Sring的这个问题更加突出 —— Christian Lusardi最近就这么说：
“我发现就算一个简单的Java应用，要是用了Spring Boot，那么至少需要1GB的内存才能把它运行起来。要是开发一个中间件，这样的开销还可以接受，但是对于微服务架构来说，太糟糕了!”
可选框架
Spring
Spring是在2003年面世的，以应对旧时代Java企业级开发的复杂性。Spring以依赖注入和面向切面编程为核心，演进成一个易用的web应用开发框架。Spring有着非常多的文档，广泛的使用率和数不清的库，让开发者高效的创建和维护应用程序，并且提供了扁平的学习曲线。
Spring通过反射在运行期间执行依赖注入。当一个Spring applicaiton启动时，在类路径（classpath）中，被标记的类（annotated classes）会被扫描到，由此，具体的类对象被实例化和被连接。
虽然这能提升应用程序的弹性，但是也使得应用程序的启动时间变慢，并且内存开销变大。同时，这个机制使得迁移到GraalVM变得非常困难，因为GraalVM不支持反射。
Micronaut
Micronaut[1]是一个现代化的微服务架构框架，由Grails框架的作者在2018年开发。
它提供了所有必要的工具来创造功能全面的微服务应用。同时，它的目标是赋予应用程序快速的启动时间和更低的内存开销。这一切都发生在编译期间而非运行时，使用了Java annotation处理器执行依赖注入，创建面向切面代理，配置应用程序。
Micronaut的许多API从Spring和Grails中获得灵感。这样的设计快速吸引了新开发者的注意。Micronaut提供了很多的模块，诸如Micronaut HTTP，data，security和连接其他技术的连接器。然而，就成熟度而言，Micronaut的这些库要落后于Spring里对应的库。
Quarkus
Quarkus[2]在2019年由红帽开发，是一个Kubernetes原生的Java框架。它依托于MicroProfile，Vert.x，Netty和Hibernate。
Quarkus的目标是让Java在容器编排环境中有着更快的启动速度，更低的内存开销和近乎瞬间的扩容伸缩能力，并期望让Java在Kubernetes环境能成为一个主导平台。为达到此目的，Quarkus通过自定义Maven插件在编译期间尽可能地做更多的工作。
Quarkus使用了大量已存在的标准技术，同时对扩展开放。然而这个项目是一年前才开始的，这些扩展的成熟度和兼容性还不明确，很有可能在将来随着平台的成长发生改变。
Helidon MicroProfile
MicroProfile[3]项目始于2016年，那时候，大家对于Oracle会在Java企业级开发这块持续发力，觉得前途未卜。
像它的先驱JEE，MicroProfile只是一份规范，可以被具体架构来实现。
随后，许多具体的实现出现在大家面前，其中最著名的是Payara Micro和Helidon MP。Payara是一种起源于GlassFish的Jakarta企业级服务器，也是MicroProfile的一个实现。Helidon则是一个运行时，由Oracle公司在2018年发起，并提供了对于MicroProfile规范的实现。
虽然它们都来自于JEE，并且MicroProfile规范文档成熟与完善，但是缺少了针对其他现代技术的连接器或是一些必要的库来替代Spring Data和Spring Security。
MicroProfile的未来是不明朗的，与它同在Eclipse基金会的另一个项目Jakarta EE，也刚刚开始发展起来。在未来，两者很有可能会合并——至少紧密关联。
框架比较
为了对上面提及过的框架进行比较，对每一个框架，我都创建了一个简单的应用程序，程序由REST接口和数据库连接器组成（译：JDBC，JPA，Spring Data）。REST接口对objects做增删改查操作，数据库连接器则把这些objects存入数据库中。
如果一个框架支持多种方式接入数据库，我会一一实现，然后对这些应用程序做性能作比较。
我把这些应用放在OpenJDK Docker镜像里。如果某个框架支持对原生GraalVM镜像生成，我也会把这些拿来作比较。你也可以看下我的另一篇文章“Reactive Database Access with R2DBC，Micronaut and GraalVM[4]”来获得更多关于GraalVM的资讯。这些源码你可以在GitHub[5]上找到。

我主要从这几个关键点来比较这些应用程序的性能：

有多容易去实现这些程序样例？为了能够实现这些框架，我不得不去查看相关文档，并同时在stack overflow这类的平台上去寻找相关信息。
要编译一个程序要花多久的时间？我测量了执行一次程序构建所需要的时间，这包含了Docker镜像生成时间。至于GraalVM这类，则包含了生成原生GraalVM镜像所花的时间。
启动一个应用程序要花多少时间？我测量了应用程序在敲下docker up命令之后，与它第一次能够正确响应HTTP请求之前的所需要的时间。同时我也比较了程序启动后在闲置状态下的内存占用。
应用程序在高负载状态下能够处理多少请求？我使用了JMeter来做压力测试，其中有25%的请求来执行程序的写操作，另外的75%请求来做数据库读操作。该程序达到高负载的状态，测量它的内存占用。
我在谷歌云上面完成了所有的测试。虚拟机采用了四核的intel Haswell架构CPU和15GB的内存。系统则是Ubuntu 19.01。所有的测试都重复做了多次，以避免干扰因素。你可以在GitHub[6]，找到这些脚本和原始数据。
结论
程序开发的易用性
由于之前我已对Spring Boot有一些使用经验，所以这方面的比较，有一点点的不公平。然而，当你查看了Spring的文档，相关信息与例子后，会发现Spring是目前为止最容易上手的框架。
Micronaut的文档也做得很棒，它有着与Spring和Grail类似的API，因此，对于用过Spring的开发者来说也是非常容易上手的。
Quarkus的学习曲线更陡峭一些，我认为，相较于Spring与Micronaut，Quarkus的API和库缺乏成熟度，尤其数据库连接方面，易用性比较糟糕。
Helidon在易用性方面是最糟糕的，因为我花了非常大的努力才使得应用程序跑起来。
编译
所有框架只要是使用了OpenJDK，那么编译时间是差不多的，在6.98秒（使用JDBC的Spring应用程序）到10.7秒（使用Quarkus的应用程序）之间。
而原生GraalVM镜像生成的时间开销非常大，在231.2秒（使用JDBC的Micronaut应用程序）到351.7秒（使用JPA的Micronaut应用程序）之间。从开发过程来说，这使得原生GraalVM镜像变得基本无意义，因为编译一个简单的应用程序需要等待4分钟，这是很过分的事。
启动
使用了Spring Data的Spring Boot应用程序平均花费8.16秒来启动。当去除了JPA和Spring Data，这个时间降到了5.8秒。
这里，Micronaut（使用JPA时，花费5.08秒启动，使用JDBC时，花费3.8秒）和Quarkus（花费5.7秒启动）都达到了他们的承诺，可以更快的速度启动应用程序。
只有Helidon MP比Spring 启动速度更慢 —— 平均要8.27秒。
GraalVM，在启动方面，表现最好，启动时间分别是1.39秒（Quarkus应用程序）和1.46秒（使用了JDBC的Micronaut应用程序），远远快于基于OpenJDK的那些实现。
程序启动后的内存使用非常相似。Spring在使用了Spring Data的情况下占用420MB的内存，在使用了JDBC的情况下占用261MB内存。
Micronaut在使用了JPA的情况下，占用262MB的内存，在使用了JDBC的情况下占用178MB的内存。
Quarkus表现得更好一些，内存开销在197MB。Helidon MP则与Spring Boot类似，内存开销在414MB。
高负载
在高负载情况下，Spring Boot表现相当的好，在使用了Spring Data情况下，每秒能够处理342个请求，内存开销是581MB，在使用了JDBC情况下每秒能够处理216个请求，内存开销是484MB。毫无疑问的是，Helidon在高负载状态下表现最糟糕，在高负载情况下，内存开销超过1GB，处理请求只有每秒175个。
其他的框架在高负载情况下，在400请求/秒（使用了原生GraalVM镜像的Quarkus应用程序）到197请求/秒（跑在OpenJDK上的Quarkus应用程序）之间。Micronaut相关的实现也在这个数值之间，当Micronaut搭配JDBC时，每秒处理能力要比Micronaut搭配JPA时要稍微好一些。当Micronaut搭配原生GraalVM镜像时要比Micronaut搭配OpenJDK时要好一些。
就内存使用角度而言，Quarkus搭配OpenJDK，出奇的好，内存开销仅要255MB，这要远远低于Quarkus搭配原生GraalVM镜像的时候，Quarkus搭配原生GraalVM镜像时，平均开销在368MB。

总结
相较于Spring和MicroProfile这样现有的老框架，Micronaut和Quarkus这类的新框架，有着更快的启动速度和更低的内存占用。
但是这些优势是有条件的，仅当程序在空闲状态和低负载状态下才成立，当程序用了原生GraalVM镜像时，这样的优势可以更加突出。但是在高负载情况下，这些优势就不明显了，即使是用了原生GraalVM镜像。
目前为止，我认为，Spring仍旧是拥有着最好的开发体验，最合适于微服务应用的Java框架，即使它在启动速度方面表现糟糕。
让我感到惊讶的是，使用Hibernate/JPA/Spring Data，会给程序带来巨大的开销，即使是一个非常简单的程序，在使用了这些库后，对内存开销和每秒请求率影响也很巨大。在此，我特别喜欢Micronaut Data的解决方案，它自动生成相应代码，而不再需要JPA。这个功能真应该加到Spring Data里去啊。
原生GraalVM镜像可以得程序在启动速度方面变得非常的快，内存效率也不错。但是当高负载情况下，就体现不出巨大的优势了。同时，原生GraalVM镜像也带来了额外的痛点，使得编译时间大大增加，这就让这门技术，仅在要求程序快速启动的场景下，才有意义——比如说无服务架构（Serverless）或者要求快速扩容伸缩的场景。在其他场景下，投入远大于回报。
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