GraalVMのJavaネイティブビルド機能でどの程度起動が速くなるのか？～サーバレス基盤上での評価～ / How fast does GraalVM's Java native build feature launch Java programs? -Evaluation on a serverless platform-

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GraalVMのJavaネイティブビルド機能で
どの程度起動が速くなるのか？～サーバレス基盤上での評価～
2021.4.23
NTT OSSセンタ
クラウドの発展形態として注視が必要な主要潮流である “サーバレス化” に対応で
きる、新しいJava実行環境 GraalVM の Navitve Build 機能を検証し、優位性を確認し
ました。
加えて、サーバレス環境と試験ツールについて、広く使われている Knative および
Gatling などを用いて検証環境を構築したので、使用感を報告します。

• 何志滔
– chito.ho.yb@hco.ntt.co.jp
• 石井佑弥
– yuya.ishii.wu@hco.ntt.co.jp
• 髙雄慎二
– shinji.takao.hd@hco.ntt.co.jp
• NTT OSSセンタで OpenJDKの技術サポートを担当
– oss-java-ml@hco.ntt.co.jp
2
自己紹介

• 新しいJava実行環境 GraalVM の Native Build 機能の検証を行
いました。
• 本機能は、 “サーバレス化” 環境で長所を発揮するため、
“サーバレス環境” を構築して評価を行いました。
本検証について
サーバレス環境
ユーザニーズ
ビジネス環境
3

背景
 “サーバレス” 環境（例 AWS lambda 等）が、クラウドの発展の次の主要な潮流
の一つと考えられ、注視が必要です。
クラウドへの単純
移行（リフト）
サービス不停止で継続
的に低コストでセキュ
リティアップデート
（DevSecOps)
クラウドネ
イティブ化
（シフト）
するか？
モチベーション１
マイクロサービス
・サーバレス環境
対応可能な方式を
選択
アプリケーション
は従来方式＋イン
フラにコンテナを
使用するメリット
数年先の将来に
向けて今から検
証すべき事項
（先行調査）
NO YES
ビジネスロジックとインフラ
の切り離しによる、変更コス
ト軽減
無処理時間帯のインスタンス
停止によるサーバコスト軽減
モチベーション２
現状優先す
べき事項
4

課題
◆サーバレス環境では、処理が無い時間帯に不要なインスタンス(Pod)を停止してリソースの
節約を行えることが長所です。
◆その長所を活かすためには、クラウドネイティブアプリケーションは稼働インスタンス数
がゼロの場合からスタートする「コールドスタート」時の性能が、従来アプリケーションよ
りも格段に速い必要があります。
HTTPクライアント
Auto Scaling group
Cloud
ゲートウェイ
ルーター
管理サービス
オートスケール
管理サービス
稼働インスタンス
(Pod)が無い状態
Auto Scaling group
Podを稼働させた状態
コールド
スタート
従来のアプリ
ケーション
十～数十秒
クラウドネイティブア
プリケーション
１秒以下～数秒
コールドスタート
性能がサービスの
品質に大きく影響
サービスメッシュ
5

• GraalVMとは、Oracle社が開発した、複数のプログラム言語
をサポートするVM
– 2021年4月時点の最新版は version 21.0.0.2です。
– 起動速度等の検証は version 20.1.0 で行いました。最新版では、本報
告よりも速度性能が高い可能性があります。
– ネイティブビルドのデモは最新版の version 21.0.0.2 で行います。
• Native Buildとは、GraalVMが持つ機能の一つで、実行可能な
Native Imageを作成すること
– Native Imageは、普通のJava Applicationと違い、JVMを使用せずに
Executableとして運用できます。
• Native Buildのメリット
– 起動時間の短縮ができます。
– Memory Footprintを減らせます。
– 上記の二点は、クラウドネイティブアプリケーションでの性能向上や
パフォーマンス管理には重要です。
6
解決手段：GraalVM の Native Build

• 従来のJavaアプリケーションの実行
– Java Virtual Machine (JVM) 上で実行することにより、複数プラット
フォームでもJavaソースコード、クラスファイルを変更せずに運用で
きることを重視しています。
– しかし、JVMそのものも多くのリソースを使います。例えば、
• GC（Garbage Collection）
• プログラムのメモリー管理
• Just-In-Time(JIT)コンパイル
• Native Image の実行
– JVMに代わって、Substrate (基盤) VMと呼ぶ形態の Virtual Machineを
使います。
– 従来のJITコンパイルに代わって、事前におこなうAhead-Of-
Time(AOT)コンパイルにより、実行時のコンパイルが不要となり、必
要リソースの減軽を期待できます。
– 従来のJVMとの別の実行プランや最適化をしているため、実行速度は
一般のJavaアプリケーションと異なる場合があります。
7
GraalVMのNative Build

• Minikube
– ローカル環境でKubernetesを簡単に実行するためのツールです。
• 2021年4月時点最新版 version1.19 (Kubernetes v1.20)
• 検証は version 1.9で実施 (Kubernetes v1.18)
• Knative
– Knativeは、元々Google社から開発を始め、k8sの管理を便利化するプ
ラットフォームです。
– 本検証では、コールドスタートを行うことを目的に、 Knativeを使用
しました。
• 2021年4月時点最新版 version 0.23（検証は version 0.13で実施）
• Gatling
– JMeterより少ないメモリ使用量・スレッド数で動作する負荷試験ツー
ルです。
• 2021年4月時点最新版 version 3.5.1（検証は version 3.3.1 で実施）
• Tomcat
– Tomcat9 から、GraalVM Native Build に対応しています。
• 2021年4月時点最新版 version 10.0.5（検証は version 9.0.34 で実施）
8
その他、検証で使用したツール

• GraalVM
– https://www.graalvm.org/
• Minikube
– https://kubernetes.io/ja/docs/setup/learning-environment/minikube/
• Knative
– https://cloud.google.com/knative
• Gatling
– https://gatling.io/
• Tomcat GraalVM Support
– https://ci.apache.org/projects/tomcat/tomcat9/docs/graal.html
9
参考URL

Auto Scaling group
検証事項
◆本検証では、新しいJava実行環境「GraalVM」の「Native Build機能」、サーバレス環境「
knative」および検証ツール「Gatling」を用いて検証を行いました。
HTTPクライアント
シナリオ作成
負荷リクエスト実行
Auto Scaling group
ゲートウェイ
ルーター
管理サービス
オートスケール
管理サービス
稼働 Pod が
無い状態
Pod を稼働させた状態
◆以下は、近年注目され広く使用されているため、検証環境を構築する際に採用しました。
今回、構築、使用した所感を共有します。
◆GraalVMは、Oracle社が開発した、複数言語対応、クラウド対応を強化した次世代の言語実行環境。
◆ Knative は、サーバレスのクラウドネイティブ・アプリケーションをデプロイ・実行・管理するためのコンポーネント群
で、kubernetes上のほか、OpenShift上でも使用します。
◆Gatlingは、比較的少ないメモリ使用量・スレッド数で動作する負荷試験ツールです。
https://www.redhat.com/ja/topics/microservices/what-is-knative
https://dzone.com/articles/gatling-vs-jmeter
Tomcat9+example
アプリケーション
※Minikube
コールド
スタート
10

• GraalVMによる Native Buildの性能優位性を確認
– Native Buildは通常のJava VMよりも起動速度が大幅に速い
– リクエスト処理速度もある程度向上（性能は劣化しない）
• その他の所感
– GraalVMのNative Buildでは、まだ色々な技術的問題点(※2)があり、今
後改善が見込まれるが、現時点の使用では注意すべき点あり
(※2) 次頁参照
11
結果
比較項目通常の
Java VM
GraalVM
(Native Build)
GraalVM 所見
起動時間(Podを除
いたアプリ部分)
13,594ms 1,117ms 起動時間 91%以上短縮 (※1)
リクエスト処理性
能
平均1464ms 平均1223ms 処理性能ほぼ同じ(16%向上だが、
反復・誤差精査は未実施)
(※1)アプリケーションにより異なります。

• Fat Jarの作成
– Jarとは、Javaのクラスファイルやメタデータ、リソースを一つのファ
イルにしたものです。
• 通常、Java Project の Deploy に使用します。
– Fat Jarとは、アプリケーションが使用しているライブラリと依存クラ
スを全て含めた Jar のことです。
• Dependencyが自己完結しているため、環境への依存性は普通のJarと比べ
て低いです。
– Fat Jarの作成は、すべてのライブラリをまとめる必要があります。こ
の点については、Projectの規模や使用しているライブラリによって難
易度が変わります。
– Maven等で依存性解決
12
GraalVMの課題(1)

• Config Fileの作成
– 「クローズワールドの前提」(Closed world assumption)
• コンパイルする時、すべてのコードが既に揃っていること
• 動的操作がビルド時に列挙されていること
– 動的クラスローディングやProxy等
– Config Fileの作成は、Reflection対象のclassの洗い出しが必要です。
これはFat Jarと同じく、Projectの規模やReflectionの利用頻度よって
難易度が変わります。
– GraalがAgentを提供
– 参考
• https://www.graalvm.org/reference-manual/native-image/Limitations/
• 互換性
– 一部のライブラリがJVMとの仕様が変わっています。例えば
java.nio.charset
• https://github.com/oracle/graal/issues/1294
13
GraalVMの課題(2)

確認・検証項目

• 1. Native Buildの手順
• 2. 起動時間比較
• 3. リクエスト処理速度比較
15
確認・検証項目

1. Native Build の手順

• Apache Tomcatの「Example」Web applicationをNative Build
することにより、Native Buildの手順を確認します。
– Apache Tomcatは、GitHub上の公式リポジトリ 9.0.x Branch、ビルド
資材は、Master Branch の modules/stuffed ディレクトリ*のものを使
用します。
* 構成は常に変化しますので都度確認してください。今回、ネイティ
ブビルドのデモ動画は、Tomcat 10.0.5 で撮り直しました。
– 使用するWeb applicationは
https://tomcat.apache.org/download-90.cgi
からTomcatをダウンロードし、webappsフォルダー内のexamplesを
使用します。
17
1. Native Buildの手順はじめに

• Fat Jar 作成
– Apache TomcatではApache Mavenを利用し、Fat Jarを作成するソース
とMaven build用のPOMファイルを提供しています。
– Fat Jarを作成する際、JSPを先にPre-Compileし、.class Fileにする必要
があります。Apache Tomcatでは、この手順をこなすAntファイルを
提供しています。
18
1. Native Buildの手順(1)

• Config Fileの作成
– ReflectionやJNI、Class Path Resources等動的に生成されるものを含め
るよう指定するため、Config Fileが必要になります。（詳細は
GraalVMの公式サイトを参照）。
– 上記のConfig Fileの準備をより簡単に進めるよう、GraalVMでは、
Trace Agentというツールを提供しています。
– Trace AgentをApplicationにアタッチして実行すれば、 Config Fileが
生成されます。
19
1. Native Buildの手順(2)

ネイティブビルドの様子(動画)
20
graalvm 21.0.0.2
Tomcat 10.0.5
(2021.4 時点の最新版)

2. 起動時間比較

• GraalVMで作成したNative Imageと通常のJVMで起動する場
合の起動時間を比較します。
• Native Imageが提唱している「起動時間の短縮」を確認しま
す。
22
2. 起動時間比較はじめに

0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Non-Native Native Image
起動時間
起動時間(ms) Webappsデプロイ時間(ms)
23
2. 起動時間比較(通常環境)
Webappsデプロイ完了ま
での時間はNon-Nativeの
3％
(ms)
起動時間デプロイ時
間
総計
(1) Native
Build
20
ms
98
ms
118.6
ms
(2) JVM 1,593
ms
1,895
ms
3,488.6
ms
(1)/(2) 1.25% 5.17% 3.4%

• 通常サーバ上で、Apache Tomcat起動(Web Applicationのデ
プロイ完了まで)の時間を比較
• Native Build
2020/04/24 22:33:51:784464046
中略
tomcat: [Apr 24, 2020 10:33:51.902650000 PM] INFO: org.apache.catalina.startup.HostConfig deployDirectory -
Deployment of web application directory [/home/user/workdir/tomcat/res/tomcat-maven/webapps/examples] has
finished in [98] ms
tomcat: [Apr 24, 2020 10:33:51.903057000 PM] INFO: org.apache.coyote.AbstractProtocol start - Starting ProtocolHandler
["http-nio-8080"]
• Non-Native
2020/04/24 22:33:41:034610412
中略
tomcat: [4月 24, 2020 10:33:44.506315000 午後] 情報: org.apache.catalina.startup.HostConfig deployDirectory -
Deployment of web application directory [/home/user/workdir/tomcat/res/tomcat-maven/webapps/examples] has
finished in [1,895] ms
tomcat: [4月 24, 2020 10:33:44.523195000 午後] 情報: org.apache.coyote.AbstractProtocol start - Starting ProtocolHandler
["http-nio-8080"]
Full logは、本資料末尾に記載。
24
【参考】通常サーバ環境での起動時間ログ
118.592954 ms
3,488.584588 ms

0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Non-Native Native Image
起動時間
Pods反応までの時間(ms) 起動時間(ms) Webappsデプロイ時間(ms)
25
2. 起動時間比較(Knative環境)
リクエストからWebappsをデプロ
イ完了までの時間はNon-Native
の23％
Pods起動時間の差は…
1. Base Imageの違い？
2. JavaプロセスのImagesの処理の違い？
*Base Image については次頁を参照
Pods反
応時間
起動時間デプロイ
時間
起動+デ
プロイ小
計
総計
(1) Native
Build
5,107
ms
219
ms
898
ms
1,117
ms
6,224
ms
(2) JVM 13,369
ms
5,750
ms
7,844
ms
13,594
ms
26,963
ms
(1)/(2) 38.2% 3.8% 11.4% 8.21% 23%
(ms)

Native Build
2020/06/05 14:21:26:889692121
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:31.996593000 PM] SEVERE: org.apache.catalina.startup.Catalina initDirs - Cannot find
specified temporary folder at [/var/tmp/]
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:32.159568000 PM] INFO: org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener log - Server version
name: Apache Tomcat/9.0.33
中略
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:32.195433000 PM] INFO: org.apache.coyote.AbstractProtocol init - Initializing ProtocolHandler
["http-nio-8080"]
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:32.208363000 PM] INFO: org.apache.catalina.startup.Catalina load - Server initialization in
[219] milliseconds
中略
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:33.154692000 PM] INFO: org.apache.catalina.startup.HostConfig deployDirectory -
Deployment of web application directory [/deployments/webapps/examples] has finished in [898] ms
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:33.157470000 PM] INFO: org.apache.coyote.AbstractProtocol start - Starting ProtocolHandler
["http-nio-8080"]
中略
tomcat: [Jun 05, 2020 2:21:35.095745000 PM] INFO: org.apache.catalina.core.ApplicationContext log - SessionListener:
sessionCreated('12D54EC0C2464640C9B66CD6B5AC3122')
System time call back (1591334495097)
Fri Jun 05 2020 14:21:35(JPT)
2020/06/05 14:21:35:111728731
26
【参考】コールドスタート時間比較ログ

Non Native Build
2020/06/05 14:21:35:111728731
tomcat: [Jun 05, 2020 5:21:48.507099000 AM] INFO: org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener log - Server
version name: Apache Tomcat/9.0.33
中略
tomcat: [Jun 05, 2020 5:21:51.717869000 AM] INFO: org.apache.catalina.startup.Catalina load - Server initialization in
[5,750] milliseconds
tomcat: [Jun 05, 2020 5:21:52.411354000 AM] INFO: org.apache.catalina.core.StandardService startInternal - Starting
service [Catalina]
tomcat: [Jun 05, 2020 5:21:52.432468000 AM] INFO: org.apache.catalina.core.StandardEngine startInternal - Starting
Servlet engine: [Apache Tomcat/9.0.33]
tomcat: [Jun 05, 2020 5:21:52.538791000 AM] INFO: org.apache.catalina.startup.HostConfig deployDirectory - Deploying
web application directory [/deployments/webapps/examples]
tomcat: [Jun 05, 2020 5:22:00.232303000 AM] WARNING: org.apache.catalina.util.SessionIdGeneratorBase
createSecureRandom - Creation of SecureRandom instance for session ID generation using [SHA1PRNG] took [195]
milliseconds.
tomcat: [Jun 05, 2020 5:22:00.382143000 AM] INFO: org.apache.catalina.startup.HostConfig deployDirectory -
Deployment of web application directory [/deployments/webapps/examples] has finished in [7,844] ms
tomcat: [Jun 05, 2020 5:22:00.411739000 AM] INFO: org.apache.coyote.AbstractProtocol start - Starting ProtocolHandler
["http-nio-8080"]
System time call back (1591334521588)
Fri Jun 05 2020 05:22:01(UTC)  Fri Jun 05 2020 14:22:01(JPT)
2020/06/05 14:22:01:647886909
27
【参考】コールドスタート時間比較ログ

Native Build JVM
Base Images 5.2MB(busybox:glibc) 627MB(openjdk:11-jdk)
With Application Images 83.3MB 647MB
28
2. イメージサイズの比較
合計のImages Size約87％減
busybox:glibc
https://index.docker.io/_/busybox
https://github.com/docker-library/busybox
openjdk:11-jdk
https://index.docker.io/_/openjdk
https://github.com/docker-library/openjdk/tree/master/11/jdk

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【参考】イメージサイズ確認コマンド
[user@localhost tomcat-maven]$ docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
dev.local/apache/tomcat-maven-native 1.0 b112fb4bfafb 9 days ago 83.3 MB
dev.local/apache/tomcat-maven 1.0 9d5f67e93fc7 12 days ago 647 MB
busybox glibc 7a2331af2292 2 weeks ago 5.2 MB
openjdk 11 22b5134fcd55 4 weeks ago 627 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/net-istio/cmd/controller <none> 4b229b0760f4 2 months ago 61.5 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/net-istio/cmd/webhook <none> 8b13dd01e81b 2 months ago 55.2 MB
k8s.gcr.io/kube-proxy v1.18.0 43940c34f24f 2 months ago 117 MB
k8s.gcr.io/kube-controller-manager v1.18.0 d3e55153f52f 2 months ago 162 MB
k8s.gcr.io/kube-scheduler v1.18.0 a31f78c7c8ce 2 months ago 95.3 MB
k8s.gcr.io/kube-apiserver v1.18.0 74060cea7f70 2 months ago 173 MB
kubernetesui/dashboard v2.0.0-rc6 cdc71b5a8a0e 3 months ago 221 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/serving/cmd/networking/istio <none> bfd5835bb3e2 3 months ago 61.6 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/serving/cmd/autoscaler <none> ad6d1ef57b5c 3 months ago 68.3 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/serving/cmd/webhook <none> 50e786c7b248 3 months ago 58.2 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/serving/cmd/controller <none> 38017b623e91 3 months ago 61.3 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/serving/cmd/queue <none> 4b940fa4fdd3 3 months ago 53.1 MB
gcr.io/knative-releases/knative.dev/serving/cmd/activator <none> d9d1603fac36 3 months ago 60.6 MB
istio/proxyv2 1.4.6 a4912a7fd5d1 3 months ago 256 MB
istio/pilot 1.4.6 baf12191b2ac 3 months ago 214 MB
k8s.gcr.io/pause 3.2 80d28bedfe5d 4 months ago 683 kB
k8s.gcr.io/coredns 1.6.7 67da37a9a360 4 months ago 43.8 MB
kindest/kindnetd 0.5.3 aa67fec7d7ef 7 months ago 78.5 MB
k8s.gcr.io/etcd 3.4.3-0 303ce5db0e90 7 months ago 288 MB
kubernetesui/metrics-scraper v1.0.2 3b08661dc379 7 months ago 40.1 MB
gcr.io/knative-samples/knative-route-demo <none> c56acfb871f9 2 years ago 14.7 MB
gcr.io/knative-samples/knative-route-demo <none> 6120ad7d128e 2 years ago 14.7 MB
gcr.io/k8s-minikube/storage-provisioner v1.8.1 4689081edb10 2 years ago 80.8 MB

3. リクエスト処理速度比較

• Gatlingを使い、HTTPのResponse Timeを比較します。
• Native Imageでのリクエスト処理速度と通常のJava VMでの
リクエスト処理速度の差を確認します。
31
3. リクエスト処理速度比較はじめに

• GatlingでHTTP Response Timeを記録します。
– HTTP Request  Tomcat receive request  Requestに応じてクラス
ローディング 実行結果をResponseとして返事  HTTP Response
– よって、HTTP Responseは、クラスローディングに大きく左右されま
す。
• Gatlingとは、オープンソースのLoad Testツールです。
– 「Scenario」と言うTest caseが必要です。
• Bundle版では、実際のブラウザでの行動をトラックして「Scenario」を
生成するツールを提供しています。
• https://gatling.io/docs/current/quickstart/
– Gatlingを通じて「Virtual user」を生成して、「Scenario」を実行する
ことによってLoad Testを行います。
32
3. リクエスト処理速度の測定

• 行ごとに各End point(e.g. /index.jsp)に対してのLoad Test結果が示されま
す。
• 一番上の行(Global Information)が全データをまとめた数値です。
• 数値が小さい＝Responseが速い＝実行速度が速いことを意味します。
33
3. 測定結果の見方

Response Time
Global
Information
99th Pct Max Mean
19,750 ms 30,425 ms 949m
s
Response Time
Global
Information
99th Pct Max Mean
20,269 ms 31,463 ms 970ms
34
3. リクエスト処理速度比較(通常環境)
Non Native Native
リクエスト処理にかかる時間の最大値(99%内と全て)と平均値に注目

35
3. リクエスト処理速度比較(通常環境)
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
99pct Max Mean
実行速度
Non Native Native Image
差は３％以下
(ms)

Response Time
Global
Information
99th Pct Max Mean
25,916 ms 31,372 ms 1,464ms
Response Time
Global
Informatio
n
99th Pct Max Mean
22,562 ms 31,002 ms 1,223ms
36
3. リクエスト処理速度比較(Knative環境)
Non Native Native
リクエスト処理にかかる時間の最大値(99%内と全て)と平均値に注目

37
3. リクエスト処理速度比較(Knative環境)
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
99pct Max Mean
実行速度
Non Native Native Image
差は１％前
後
(ms)

0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
ベア環境 k8s Pods
アプリケーションのメモリ利用率
Java Application Native Build
38
3. リソース利用（参考）
MiB
Non Native (1) Native
Build(2)
(2)/(1)
ベア環境 412.484375 42.4453125 10.2%
k8s Pods 139 40 28.7％
【参考】Metrics serverを利用し、k8sのpods
のリソース運用をモニタリングできる
＊注意＊
今回の検証では、Minikubeを使っています。
デフォルトで2GBが割り当てています
ホスト環境による
Heapサイズ差別

まとめ

• GraalVMのNative Buildの手順を確認できました。(Apache Tomcatをベー
スに)
• 起動時間の比較結果より、Native Buildは通常のJava VMよりも起動速度
が大幅に速いことが確認できました。
• Gatlingで連続したリクエスト処理の性能を比較したところ、起動時の比
較とは異なり、Native Build は優位ではなかったが、大きな性能低下は無
いことが確認できました。
• 総合的には、GraalVMによる Native Buildの優位性を確認できました。
– ただし、ビルド手順など今後の改善に期待したい箇所もあります。
40
まとめ
GraalVM
(Native Build)
通常のJava VM
起動時間 ☆☆☆☆☆ ☆ 3％以下で起動
リクエスト処理性能 ☆☆☆ ☆☆☆ 性能差異は1%前後
総合評価 ☆☆☆☆ ☆☆

GraalVMのJavaネイティブビルド機能でどの程度起動が速くなるのか？～サーバレス基盤上での評価～ / How fast does GraalVM's Java native build feature launch Java programs? -Evaluation on a serverless platform-

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