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ShardingSphere-Proxy
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构建 GraalVM Native Image(Alpha)

构建 GraalVM Native Image(Alpha)

背景信息

本节主要介绍如何通过 GraalVM CE 的 native-image 命令行工具构建 ShardingSphere Proxy 的 GraalVM Native Image， 以及包含此 GraalVM Native Image 的 Docker Image。ShardingSphere Proxy 的 GraalVM Native Image 在本文即指代 ShardingSphere Proxy Native。

本节内容涉及的所有 Docker Image 均不通过 https://downloads.apache.org ，https://repository.apache.org 等 ASF 官方渠道进行分发。 Docker Image 仅在 GitHub Packages，Docker Hub 等下游渠道提供以方便使用。

ShardingSphere Proxy Native 可执行 DistSQL，这意味着实际上不需要任何定义逻辑数据库的 YAML 文件。 默认情况下，ShardingSphere Proxy Native 中仅包含，

  1. 与 ShardingSphere Proxy 默认配置一致的，一系列 JAR 的编译后产物
  2. ShardingSphere 维护的自有及部分第三方依赖的 GraalVM Reachability Metadata

本节内容假定处于以下的系统环境之一，

  1. Linux（amd64，aarch64）
  2. MacOS（aarch64/M1）
  3. Windows（amd64）

本节内容依然受到 ShardingSphere JDBC 一侧的 GraalVM Native Image 的已记录内容的限制。

如果用户需要在 ShardingSphere Proxy Native 中使用第三方 JAR，或者使用 UPX 压缩编译后的 GraalVM Native Image， 则需要修改 Maven 模块 org.apache.shardingsphere:shardingsphere-proxy-native-distribution 的源码。 参考下文的从源码构建一节。

若不需要修改 ShardingSphere Proxy Native 的默认配置，开发者可从通过夜间构建的 Docker Image 使用一节开始处理。

通过夜间构建的 Docker Image 使用

包含 ShardingSphere Proxy Native 的 Docker Image 在 https://github.com/apache/shardingsphere/pkgs/container/shardingsphere-proxy-native 存在每夜构建。 ShardingSphere Proxy Native 的默认端口为 3307，配置文件从 /opt/shardingsphere-proxy/conf 加载。

夜间构建的 Docker Image 存在多种形态的 GraalVM Native Image 的变体 Docker Image Tag。

动态链接的 GraalVM Native Image

假设存在包含 global.yaml 的 conf 文件夹为 ./custom/conf， 开发者可通过如下的 Docker Compose 文件对 动态链接的 GraalVM Native Image 形态的 ShardingSphere Proxy Native 进行测试。

services:
  apache-shardingsphere-proxy-native:
    image: ghcr.io/apache/shardingsphere-proxy-native:a2661a750be0301cb221ba8f549504f04cc8a5af
    volumes:
      - ./custom/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf
    ports:
      - "3307:3307"

作为补充，ghcr.io/apache/shardingsphere-proxy-native:latest的 Docker Image Tag 将指向 动态链接的 GraalVM Native Image。

大部分静态链接的 GraalVM Native Image

此节内容仅限于支持运行 linux/amd64 OS/Arch Containers 的 Container Runtime 使用。

假设存在包含 global.yaml 的 conf 文件夹为 ./custom/conf， 开发者可通过如下的 Docker Compose 文件对 大部分静态链接的 GraalVM Native Image 形态的 ShardingSphere Proxy Native 进行测试。 只需为特定的，动态链接的 GraalVM Native Image 对应的 Docker Image Tag 加上 -mostly 后缀。

services:
  apache-shardingsphere-proxy-native:
    image: ghcr.io/apache/shardingsphere-proxy-native:a2661a750be0301cb221ba8f549504f04cc8a5af-mostly
    volumes:
      - ./custom/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf
    ports:
      - "3307:3307"

完全静态链接的 GraalVM Native Image

此节内容仅限于支持运行 linux/amd64 OS/Arch Containers 的 Container Runtime 使用。

假设存在包含 global.yaml 的 conf 文件夹为 ./custom/conf， 开发者可通过如下的 Docker Compose 文件对 完全静态链接的 GraalVM Native Image 形态的 ShardingSphere Proxy Native 进行测试。 只需为特定的，动态链接的 GraalVM Native Image 对应的 Docker Image Tag 加上 -static 后缀。

services:
  apache-shardingsphere-proxy-native:
    image: ghcr.io/apache/shardingsphere-proxy-native:a2661a750be0301cb221ba8f549504f04cc8a5af-static
    volumes:
      - ./custom/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf
    ports:
      - "3307:3307"

从源码构建

若从源码构建，开发者有2种选择，

  1. 在不安装本地工具链的情况下，构建包含 ShardingSphere Proxy Native 产物的 Linux Container
  2. 在安装本地工具链的情况下，构建包含 ShardingSphere Proxy Native 产物。对于 Windows，可通过此途径创建.exe形态的 GraalVM Native Image

使用存在自定义 SPI 实现的 JAR 或第三方依赖的 JAR

开发者可能需要使用存在自定义 SPI 实现的 JAR 或第三方依赖的 JAR。可在从源码构建前，修改 distribution/proxy-native/pom.xml 文件的 dependencies 部分。 一个添加 MySQL JDBC Driver 依赖的示例如下，相关 JAR 应预先置入本地 Maven 仓库或 Maven Central 等远程 Maven 仓库。

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>com.mysql</groupId>
        <artifactId>mysql-connector-j</artifactId>
        <version>9.3.0</version>
    </dependency>
</dependencies>

构建 Linux Container

前提条件

贡献者必须在设备安装，

  1. OpenJDK 21 或更高版本
  2. 可运行 Linux Containers 的 Docker Engine

下文分别讨论在 Ubuntu 与 Windows 下可能的所需操作。

Ubuntu

假设贡献者处于新的 Ubuntu 22.04.5 LTS 实例下，且已配置 git。 可在 bash 通过如下命令利用 SDKMAN! 安装 OpenJDK 21。

sudo apt install unzip zip -y
curl -s "https://get.sdkman.io" | bash
source "$HOME/.sdkman/bin/sdkman-init.sh"
sdk install java 21.0.7-ms
sdk use java 21.0.7-ms

可在 bash 通过如下命令安装 Rootful 模式的 Docker Engine。

sudo apt update && sudo apt upgrade --assume-yes
sudo apt-get remove docker.io docker-compose docker-compose-v2 docker-doc podman-docker containerd runc
sudo apt install ca-certificates curl --assume-yes
sudo install -m 0755 -d /etc/apt/keyrings
sudo curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg -o /etc/apt/keyrings/docker.asc
sudo chmod a+r /etc/apt/keyrings/docker.asc

sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.sources <<EOF
Types: deb
URIs: https://download.docker.com/linux/ubuntu
Suites: $(. /etc/os-release && echo "${UBUNTU_CODENAME:-$VERSION_CODENAME}")
Components: stable
Signed-By: /etc/apt/keyrings/docker.asc
EOF

sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io docker-buildx-plugin docker-compose-plugin --assume-yes
sudo groupadd docker
sudo usermod -aG docker $USER
newgrp docker

sudo tee /etc/docker/daemon.json <<EOF
{
  "log-driver": "local"
}
EOF

sudo systemctl restart docker.service
Windows

假设贡献者处于新的 Windows 11 Home 24H2 实例下，且已安装和配置 git-for-windows/git 和 PowerShell/PowerShell。

可在 Powershell 7 通过如下命令利用 version-fox/vfox 安装 OpenJDK 21。

winget install --id version-fox.vfox --source winget --exact
if (-not (Test-Path -Path $PROFILE)) { New-Item -Type File -Path $PROFILE -Force }; Add-Content -Path $PROFILE -Value 'Invoke-Expression "$(vfox activate pwsh)"'
vfox add java
vfox install java@21.0.7-ms
vfox use --global java@21.0.7-ms

当 Windows 弹出窗口，要求允许类似 C:\users\shard\.version-fox\cache\java\v-21.0.7-ms\java-21.0.7-ms\bin\java.exe 路径的应用通过 Windows 防火墙时， 应当批准。 背景参考 https://support.microsoft.com/en-us/windows/risks-of-allowing-apps-through-windows-firewall-654559af-3f54-3dcf-349f-71ccd90bcc5c 。

可在 Powershell 7 通过如下命令启用 WSL2 并设置 Ubuntu WSL 为默认 Linux 发行版。

wsl --install

完成 WSL2 的启用后，通过如下的 PowerShell 7 命令下载和安装 rancher-sandbox/rancher-desktop， 并设置使用 dockerd(moby) 的 Container Engine。

winget install --id SUSE.RancherDesktop --source winget --skip-dependencies
rdctl start --application.start-in-background --container-engine.name=moby --kubernetes.enabled=false

@'
{
  "min-api-version": "1.41",
  "seccomp-profile": "/etc/rancher-desktop/seccomp.json",
  "features": {
    "containerd-snapshotter": true
  },
  "log-driver": "local"
}
'@ | rdctl shell sudo tee /etc/docker/daemon.json

rdctl shutdown
rdctl start --application.start-in-background --container-engine.name=moby --kubernetes.enabled=false

构建包含动态链接的 GraalVM Native Image 的 Docker Image

可执行如下命令构建。

git clone git@github.com:apache/shardingsphere.git
cd ./shardingsphere/
./mvnw -am -pl distribution/proxy-native -T1C "-Pdocker.build.native.linux" "-DskipTests" clean package

一个可能的 Docker Compose 示例为，

services:
  apache-shardingsphere-proxy-native:
    image: apache/shardingsphere-proxy-native:5.5.4-SNAPSHOT
    volumes:
      - ./custom/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf
    ports:
      - "3307:3307"

构建包含大部分静态链接的 GraalVM Native Image 的 Docker Image

可执行如下命令构建。

git clone git@github.com:apache/shardingsphere.git
cd ./shardingsphere/
./mvnw -am -pl distribution/proxy-native -T1C "-Pdocker.build.native.linux" "-Dproxy.native.dockerfile=Dockerfile-linux-mostly" "-Dproxy.native.image.tag=5.5.4-SNAPSHOT-mostly" "-DskipTests" clean package

一个可能的 Docker Compose 示例为，

services:
  apache-shardingsphere-proxy-native:
    image: apache/shardingsphere-proxy-native:5.5.4-SNAPSHOT-mostly
    volumes:
      - ./custom/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf
    ports:
      - "3307:3307"

构建包含完全静态链接的 GraalVM Native Image 的 Docker Image

可执行如下命令构建。

git clone git@github.com:apache/shardingsphere.git
cd ./shardingsphere/
./mvnw -am -pl distribution/proxy-native -T1C "-Pdocker.build.native.linux" "-Dproxy.native.dockerfile=Dockerfile-linux-static" "-Dproxy.native.image.tag=5.5.4-SNAPSHOT-static" "-DskipTests" clean package

一个可能的 Docker Compose 示例为，

services:
  apache-shardingsphere-proxy-native:
    image: apache/shardingsphere-proxy-native:5.5.4-SNAPSHOT-static
    volumes:
      - ./custom/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf
    ports:
      - "3307:3307"

仅构建产物

前提条件

贡献者必须在设备安装，

  1. GraalVM CE 25.0.2，或与 GraalVM CE 25.0.2 兼容的 GraalVM 下游发行版。以 GraalVM Native Image 为准。
  2. 编译 GraalVM Native Image 所需要的本地工具链。以 https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/#prerequisites 为准。

在 Ubuntu 与 Windows 下可能的所需操作与开发和测试一致。 但不需要安装 Container Runtime。

静态编译所需的本地工具链

开发者如需构建 完全静态链接的 GraalVM Native Image， 则需要按 https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/guides/build-static-executables/ 要求，从源代码构建 musl。

构建动态链接的 GraalVM Native Image

可执行如下命令构建。

git clone git@github.com:apache/shardingsphere.git
cd ./shardingsphere/
./mvnw -am -pl distribution/proxy-native -T1C -DskipTests "-Prelease.native" clean package

构建大部分静态链接的 GraalVM Native Image

可执行如下命令构建。

git clone git@github.com:apache/shardingsphere.git
cd ./shardingsphere/
./mvnw -am -pl distribution/proxy-native -T1C -DskipTests "-Prelease.native" "-DbuildArgs=-H:+UnlockExperimentalVMOptions,-H:+AddAllCharsets,-H:+IncludeAllLocales,--static-nolibc" clean package

构建完全静态链接的 GraalVM Native Image

可执行如下命令构建。

git clone git@github.com:apache/shardingsphere.git
cd ./shardingsphere/
./mvnw -am -pl distribution/proxy-native -T1C -DskipTests "-Prelease.native" "-DbuildArgs=-H:+UnlockExperimentalVMOptions,-H:+AddAllCharsets,-H:+IncludeAllLocales,--static,--libc=musl" clean package

使用 GraalVM Native Image

无论 GraalVM Native Image 属于什么变体，通过命令行启动 Native Image, 都需要带上 3 个参数，

  1. 第 1 个参数为 ShardingSphere Proxy Native 使用的端口，
  2. 第 2 个参数为用户编写的包含 global.yaml 配置文件的文件夹，
  3. 第 3 个参数为要侦听的主机，如果为 0.0.0.0 则允许任意数据库客户端均可访问 ShardingSphere Proxy Native。

已完成构建的 GraalVM Native Image 的二进制文件仅可设置命令行参数。这意味着，

  1. 用户仅可在构建 GraalVM Native Image 的过程中设置 JVM 参数
  2. 用户无法针对已完成构建的 GraalVM Native Image 的二进制文件设置 JVM 参数

Ubuntu 下假设已存在包含 global.yaml 的 conf 文件夹为 /tmp/conf，可能的示例为，

cd ./shardingsphere/
cd ./distribution/proxy-native/target/apache-shardingsphere-5.5.4-SNAPSHOT-shardingsphere-proxy-bin/bin
./proxy-native "3307" "/tmp/conf" "0.0.0.0"

Windows 下假设已存在包含 global.yaml 的 conf 文件夹为 C:\Users\shard\Downloads\conf，可能的示例为，

cd ./shardingsphere/
cd ./distribution/proxy-native/target/apache-shardingsphere-5.5.4-SNAPSHOT-shardingsphere-proxy-bin/bin
./proxy-native.exe "3307" "C:\Users\shard\Downloads\conf" "0.0.0.0"

使用限制

GraalVM Native Image 变体选择

一般情况下开发者仅需使用动态链接的 GraalVM Native Image。

当开发者仅使用可运行 linux/amd64 OS/Arch Containers 的 Container Runtime，并希望获得更小体积的 Docker Image 时， 可考虑使用 大部分静态链接的 GraalVM Native Image 或 完全静态链接的 GraalVM Native Image。 背景参考 https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/guides/build-static-executables/ 和 https://github.com/oracle/graal/issues/2589 。 大部分静态链接的可执行文件，是 golang/go 推广的，针对静态链接 musl libc 实现的另一种替代方案。

可观察性

针对 ShardingSphere Proxy Native，其提供的可观察性的能力与可观察性并不一致。

用户可以使用 https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/tools/ 提供的一系列命令行工具或可视化工具观察 GraalVM Native Image 的内部行为， 并根据其要求在 Linux 下使用 VSCode 完成 Debug 工作。如果用户正在使用 IntelliJ IDEA 并且希望调试生成的 GraalVM Native Image， 用户可以关注 https://blog.jetbrains.com/idea/2022/06/intellij-idea-2022-2-eap-5/#Experimental_GraalVM_Native_Debugger_for_Java 及其后继。 如果用户使用的不是 Linux，则无法对 GraalVM Native Image 进行 Debug，请关注尚未关闭的 https://github.com/oracle/graal/issues/5648 。

对于使用 ShardingSphere Agent 等 Java Agent 的情形， GraalVM 的 native-image 组件尚未完全支持在构建 Native Image 时使用 javaagent， 用户需要关注尚未关闭的 https://github.com/oracle/graal/issues/8177 。 若用户期望在 ShardingSphere Proxy Native 下使用这类 Java Agent，则需要关注 https://github.com/oracle/graal/pull/8077 涉及的变动。

linux/riscv64 OS/Arch 限制

当前，ShardingSphere Proxy Native 未提供在 linux/riscv64 OS/Arch 上的可用性。如果开发者使用 linux/riscv64 设备， 应参考 https://medium.com/graalvm/graalvm-native-image-meets-risc-v-899be38eddd9 的处理修改 Proxy Native 的构建配置。

自 https://github.com/oracle/graal/issues/6855 开始，LLVM backend 需要从 GraalVM 的源码构建才可使用。 参考 https://github.com/oracle/graal/blob/master/substratevm/src/com.oracle.svm.core.graal.llvm/src/com/oracle/svm/core/graal/llvm/LLVMBackend.md 。

Windows Containers 限制

ShardingSphere Proxy Native 可通过包含 Microsoft.VisualStudio.2022.Community 的本地工具链，在 Windows 上开箱即用地构建 GraalVM Native Image。

当前受 https://github.com/graalvm/container/issues/106 影响， ShardingSphere 暂时不为通过 Windows 编译的 动态链接的 GraalVM Native Image 提供构建 Docker Image 所需的构建配置。

Wasm 模块限制

尽管 Oracle GraalVM Early Access Builds For JDK 26 EA 3 已支持构建 Wasm 模块形态的 GraalVM Native Image， 但 ShardingSphere 尚未准备好在 OpenJDK 26 下测试 CI。

当前，ShardingSphere Proxy Native 未提供编译为 Wasm 模块 所需的构建配置。

使用 Docker使用 Helm