Spring Data AOT 儲存庫簡介

1. 概述

近年來，Java 生態系統投入了大量精力來提升 JVM 的效能。我們見證了 JIT 編譯器、預編譯 (AOT) 以及最近的原生鏡像的出現。

流行的 Java 框架，例如 Micronaut 和 Spring，都朝著同一個方向發展，透過編譯最佳化來提升效能。 Spring 同時支援 AOT（預編譯）和 Native Image（原生鏡像）。然而，在這些大型框架中，反射的使用仍然很普遍，因此仍有很大的改進空間。 Spring Boot 4 即將推出的最新特性是針對 Spring Data 的 AOT 最佳化，即 AOT 倉庫。

本文將介紹 Spring Data AOT Repositories 的新特性。由於該特性尚未在任何正式版中提供，我們將使用一個里程碑版本進行演示。隨後，我們將演示其工作原理。最後，我們將比較它在啟用和停用 AOT 編譯的 Spring Boot 3 環境中與現有替代方案的使用情況。

2. 依賴關係

首先，我們來定義示範 Spring Data AOT 倉庫所需的最小相依性。我們只需要保留spring-boot-starter-web和spring-boot-starter-data-jpa兩個依賴項。前者用於提供一個端點來驗證倉庫是否正常運作，後者則包含 Spring 與資料庫互動所需的一切：

<dependency>

 <groupId>org.springframework.boot</groupId>

 <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>

 <version>4.0.5</version>

 </dependency>

 <dependency>

 <groupId>org.springframework.boot</groupId>

 <artifactId>spring-boot-starter-data-jpa</artifactId>

 <version>4.0.5</version>

 </dependency>

Spring Boot 4.0 版本目前仍處於早期開發階段。我們的演示仍將使用穩定的4.0.5版本。

3. Spring 資料儲存庫

接下來，我們來看看儲存庫的實作是如何從執行時間代理程式演變為 Spring Data AOT 儲存庫的建置時產生程式碼的。我們將使用一個非常簡單且常用的範例：一個User實體及其對應的UserRepository 。這將使我們能夠比較三種儲存庫選項的行為和效能：不使用 AOT 的儲存庫、使用 AOT 的儲存庫（但在 AOT 儲存庫出現之前）以及 AOT 儲存庫。

3.1 領域模型

為了演示目的，我們將使用一個只有三個欄位的簡短User實體：

@Entity

 @Table(name = "USERS")

 public class User {

 @Id

 @GeneratedValue

 private Long id;



 @Column(name = "first_name")

 private String firstName;



 @Column(name = "last_name")

 private String lastName;



 // constructors, setters, getters, equals, etc.

 }

實體類別僅包含id 、 firstName和lastName欄位。我們可以使用所有我們熟悉的 Spring Data 和 JPA 註解。然後我們將建立相關的UserRepository ：

public interface UserRepository extends Repository<User, Long> {



 User save(User user);



 @Transactional(readOnly = true)

 List<User> findAll();



 List<User> findAllById(Iterable<Long> longs);



 @Query(value = "SELECT * FROM users", nativeQuery = true)

 List<User> nativeQueryFindAllUsers();



 @Query(value = "SELECT u FROM User u")

 List<User> queryFindAllUsers();

 }

首先，我們將像往常一樣新增三個 Spring Data 可以轉換為查詢的方法。除此之外，我們還會加入兩個使用@Query註解的方法，一個是原生方法，一個是非原生方法。這樣做是為了了解 Spring Data AOT Repository 如何處理不同的情況。

其次，我們擴展了Repository接口，使其更加通用。先前引入的依賴項會將其轉換為JpaRepository 。

3.2. 不使用 AOT 的 Spring 資料儲存庫

在 Spring AOT 最佳化和 Spring Data AOT 儲存庫出現之前，我們會使用mvn clean install指令編譯程式碼。這會將 Java 文件轉換為類，除了縮排之外，沒有任何其他更改。

這意味著實作並非自動生成。我們知道，一切都在運行時發生：

Spring 會找到Repository介面。
將它們傳遞給JpaRepositoryFactory
JpaRepositoryFactory建構SimpleJpaRepository實例
然後，它會將每個實例包裝在動態代理中，該代理會將來自介面方法（例如findAll()呼叫路由到SimpleJpaRepository上的對應方法、 Query和JPQL實現，或任何自訂實作。

所有程式碼都是基於反射在運行時建構的。這意味著啟動時間和記憶體佔用都會受到影響。

3.3. Spring Data AOT 倉庫之前的 AOT 倉庫

Spring 6 引進了預先最佳化 (AOT) 功能。要啟用此功能，我們需要：

編譯程式碼（包括spring-boot:process-aot任務），或設定建置插件以預設啟用 AOT 編譯。
執行應用程序，並將spring.aot.enabled屬性設為true

關於 Spring Data Repositories，結果與之前相同。這意味著我們得到的是同一個類，然後 Spring 在運行時使用SimpleJpaRepository 、反射和代理來實現所有功能。差別在於 AOT 編譯會建立一個額外的類別UserRepository__BeanDefinitions ，其中包含一些反射元資料和其他在建置時預先計算的資訊。這可以縮短啟動時間。

3.4. Spring Data AOT 儲存庫

Spring Data 4 的一項新特性是 Spring Data AOT Repositories。借助此特性，Spring 將應用程式啟動時執行的所有 Repositories 準備工作轉移到了建置時。

讓我們從宏觀層面來了解它的工作原理。 Spring利用儲存庫的儲存特性，將你的儲存庫查詢方法轉換為實際的原始碼。已實現的方法可以直接使用。例如，在我們的範例中， save()方法已在SimpleJpaRepository中實作。 Spring 不需要為這些方法產生任何程式碼。但是，其餘方法將在UserRepositoryImpl__AotRepository類別中實作。

使用 AOT 編譯程式碼的方式與先前的 Spring 版本相同。我們可以在target/classes資料夾中找到產生的類別：

@Generated

 public class UserRepositoryImpl__AotRepository extends AotRepositoryFragmentSupport {

 private final RepositoryFactoryBeanSupport.FragmentCreationContext context;

 private final EntityManager entityManager;



 public List<User> nativeQueryFindAllUsers() {

 String var1 = "SELECT * FROM users";

 Query var2 = this.entityManager.createNativeQuery(var1, User.class);

 return var2.getResultList();

 }



 public List<User> queryFindAllUsers() {

 String var1 = "SELECT u FROM User u";

 Query var2 = this.entityManager.createQuery(var1);

 return var2.getResultList();

 }

 }

使用 `@Query` 註解UserRepository__BeanDefinitions @Query包含與未使用 Spring Data 時相同的程式碼。 `UserRepository__BeanDefinitions` 類別仍然存在，與先前的版本類似。此新功能產生的最後一個來源檔案是包含原生鏡像提示的 JSON 檔案 ` UserRepository.json 。

這樣，Spring 就能在建置時產生具體的倉庫實現，從而消除代理程式和大部分運行時反射。這既能縮短啟動時間，又能降低記憶體佔用。

要啟用 Spring Data AOT 儲存庫，我們需要在執行應用程式時將spring.aot.repositories.enabled屬性設為true:

mvn spring-boot:run -Dspring.aot.enabled=true -Dspring.aot.repositories.enabled=true

4. 對績效的影響

Spring Data AOT 儲存庫有望提升應用程式效能。正如Spring 部落格文章所述，啟動時間應該會縮短，記憶體消耗也會降低：

Spring

接下來，我們將比較目前討論的三種實作方式的效能：

在 AOT 之前使用 Spring，可以使用java -jar spring-data-jpa-not-aot/target/spring-data-jpa-not-aot-0.0.1-SNAPSHOT.jar指令
使用java -Dspring.aot.enabled=true -jar spring-data-jpa-aot/target/spring-data-jpa-aot-0.0.1-SNAPSHOT.jar指令啟用帶有 AOT 改良的 Spring。
使用java -Dspring.aot.enabled=true -Dspring.aot.repositories.enabled=true -jar spring-data-jpa-aot-repository/target/spring-data-jpa-aot-repository-0.0.1-SNAPSHOT.jar指令建立 Spring Data AOT 儲存庫

我們將使用五個實體類別和儲存庫，以使變更更加直觀。同時，我們將重點放在啟動時間和記憶體消耗。

4.1 建置時間比較

如前所述，新的 AOT 儲存庫功能會在建置時執行額外的工作來建置儲存庫。因此，啟用此功能後，建置速度預計會變慢：

未啟用 AOT 的儲存庫： Total time: 11.076 s
使用 AOT 的儲存庫： Total time: 17.166 s
AOT儲存庫： Total time: 25.390 s

使用 Spring Data AOT 儲存庫時，如果 JPA 方法中存在語法錯誤，我們會看到編譯時錯誤。這是合理的，因為 JPA 方法到 SQL 語句的轉換現在是在編譯時而不是執行時進行的。

4.2 啟動時間比較

接下來，我們將執行一個腳本來啟動每個服務，同時嘗試存取一個使用程式碼倉庫的端點。這樣，我們就可以監控服務啟動所需的時間，因為伺服器和程式碼倉庫都已準備就緒。

對於沒有 AOT 的儲存庫，腳本輸出如下：

==== RESULTS ====

 time elapsed 10148 millis

 Process Specific Memory/CPU (RSS KB / CPU Time): 289840 00:00:28

對於具有 AOT 的儲存庫：

==== RESULTS ====

 time elapsed 9885 millis

 Process Specific Memory/CPU (RSS KB / CPU Time): 291104 00:00:25

對於 Spring Data AOT 儲存庫：

==== RESULTS ====

 time elapsed 8745 millis

 Process Specific Memory/CPU (RSS KB / CPU Time): 292864 00:00:23

這完全合理，因為我們知道 AOT 和 AOT 儲存庫旨在縮短啟動時間。即使對於像我們這樣的小型專案來說，這一點也顯而易見。

Spring 所宣傳的記憶體優化效果在這裡沒有體現，但對於我們的小型專案來說，這是很有意義的。

注意，如果不使用 AOT 啟動應用程序，我們應該會看到一條日誌，顯示「 Starting Application 」。但使用 AOT 時，日誌應該會顯示「 Starting AOT-processed Application 。

4.3 負載下的比較

我們最後一項測試包含一個腳本，該腳本會向每個實作發送一些流量並比較效能。