Spring Boot Class Data Sharing (CDS) 完全指南 🚀

什么是 Class Data Sharing (CDS)？

NOTE

Class Data Sharing (CDS) 是 JVM 的一项优化技术，它通过预先加载和共享类元数据来显著提升 Java 应用程序的启动速度和内存使用效率。

🤔 为什么需要 CDS？

想象一下，每次启动 Spring Boot 应用时，JVM 都需要：

• 加载数千个类文件
• 解析字节码
• 创建内部数据结构
• 验证类的正确性

这个过程就像每次做饭都要重新洗菜、切菜一样繁琐！CDS 就是帮我们提前做好"食材准备"的技术。

CDS 的核心价值

• 启动速度提升：减少 20-50% 的启动时间
• 内存使用优化：多个 JVM 实例可以共享相同的类数据
• 资源效率：特别适合容器化部署和微服务架构

CDS 工作原理深度解析

🔍 CDS 的工作机制

1. 训练阶段（Training Run）：

   • 应用正常启动一次
   • JVM 记录加载的类和它们的元数据
   • 生成 CDS 存档文件（.jsa）

2. 生产运行阶段：

   • JVM 直接从 CDS 存档加载预处理的类数据
   • 跳过类加载和验证的耗时步骤
   • 实现快速启动

使用 Buildpacks 实现 CDS 优化

🛠️ Maven 配置示例

pom.xml - Maven 配置

<plugin>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <image>
            <env>
                <!-- 启用 CDS 优化 -->
                <BP_JVM_CDS_ENABLED>true</BP_JVM_CDS_ENABLED> // [!code highlight]
                <!-- 自定义训练阶段的 JVM 参数 -->
                <CDS_TRAINING_JAVA_TOOL_OPTIONS>-Xmx512m -Dspring.profiles.active=cds-training</CDS_TRAINING_JAVA_TOOL_OPTIONS> // [!code highlight]
            </env>
        </image>
    </configuration>
</plugin>

build.gradle - Gradle 配置

bootBuildImage {
    environment = [
        "BP_JVM_CDS_ENABLED": "true", 
        "CDS_TRAINING_JAVA_TOOL_OPTIONS": "-Xmx512m -Dspring.profiles.active=cds-training"
    ]
}

🚀 构建 CDS 优化的 Docker 镜像

# Maven 构建
./mvnw spring-boot:build-image

# Gradle 构建
./gradlew bootBuildImage

IMPORTANT

构建过程中，Buildpack 会自动执行训练运行，生成 CDS 存档，并将其包含在最终的 Docker 镜像中。

使用 Dockerfile 实现 CDS 优化

📝 手动 Dockerfile 配置

完整的 Dockerfile 示例

# 多阶段构建：训练阶段
FROM openjdk:17-jdk-slim as training

# 复制应用 JAR
COPY target/myapp.jar app.jar

# 执行训练运行，生成 CDS 存档
RUN java -XX:ArchiveClassesAtExit=app.jsa \
         -Dspring.context.exit=onRefresh \
         -jar app.jar

# 生产阶段
FROM openjdk:17-jdk-slim

# 复制应用 JAR 和 CDS 存档
COPY target/myapp.jar app.jar
COPY --from=training app.jsa app.jsa

# 使用 CDS 存档启动应用
ENTRYPOINT ["java", "-XX:SharedArchiveFile=app.jsa", "-jar", "app.jar"] // [!code highlight]

🔧 关键 JVM 参数说明

参数	作用	使用阶段
-XX:ArchiveClassesAtExit=app.jsa	训练结束时保存 CDS 存档	训练阶段
-XX:SharedArchiveFile=app.jsa	指定要使用的 CDS 存档文件	生产阶段
-Dspring.context.exit=onRefresh	Spring 上下文刷新后立即退出	训练阶段

训练运行期间的配置优化

🛡️ 防止远程服务交互

在训练阶段，我们需要防止应用连接到真实的外部服务：

Application.kt - 主应用类

@SpringBootApplication
class MyApplication

fun main(args: Array<String>) {
    runApplication<MyApplication>(*args) {
        // 检查是否为 CDS 训练模式
        if (isCdsTrainingMode()) {
            // 设置训练专用的配置
            setAdditionalProfiles("cds-training") 
        }
    }
}

fun isCdsTrainingMode(): Boolean {
    return System.getProperty("spring.context.exit") == "onRefresh"
}

application-cds-training.yml - 训练专用配置

# CDS 训练阶段的配置
spring:
  # 禁用数据库自动配置
  autoconfigure:
    exclude:
      - org.springframework.boot.autoconfigure.jdbc.DataSourceAutoConfiguration
      - org.springframework.boot.autoconfigure.orm.jpa.HibernateJpaAutoConfiguration

  # 禁用 Web 服务器
  main:
    web-application-type: none

  # 禁用外部服务连接
  redis:
    host: localhost
    port: 0 # 无效端口，防止连接 #

  # 禁用消息队列
  rabbitmq:
    host: localhost
    port: 0 # 无效端口，防止连接 #

# 日志配置
logging:
  level:
    org.springframework: WARN
    com.mycompany: INFO

🎯 智能配置管理

@Configuration
@Profile("!cds-training") // 非训练模式才启用
class ProductionConfiguration {

    @Bean
    fun dataSource(): DataSource {
        // 生产环境的数据源配置
        return HikariDataSource().apply {
            jdbcUrl = "jdbc:mysql://localhost:3306/mydb"
            username = "user"
            password = "password"
        }
    }

    @Bean
    fun redisTemplate(): RedisTemplate<String, Any> {
        // Redis 配置
        return RedisTemplate<String, Any>().apply {
            connectionFactory = LettuceConnectionFactory("localhost", 6379)
        }
    }
}

@Configuration
@Profile("cds-training") // 仅训练模式启用
class TrainingConfiguration {

    @Bean
    fun mockDataSource(): DataSource {
        // 使用内存数据库或 Mock 对象
        return EmbeddedDatabaseBuilder()
            .setType(EmbeddedDatabaseType.H2)
            .build()
    }
}

性能对比与最佳实践

📊 性能提升数据

典型性能提升

• 启动时间：从 15 秒减少到 8 秒（约 47% 提升）
• 内存使用：减少 30-50MB 的类元数据内存占用
• 容器密度：在相同资源下可以运行更多实例

🎯 最佳实践建议

CDS 优化建议

1. 适用场景：特别适合微服务、容器化部署和频繁启停的应用
2. 配置隔离：为训练阶段创建专门的配置文件
3. 监控验证：通过启动日志验证 CDS 是否正确加载
4. 定期更新：应用代码变更后需要重新生成 CDS 存档

⚠️ 注意事项

使用限制

• CDS 存档与特定的 JVM 版本和应用版本绑定
• 应用代码发生变化时需要重新训练
• 不适合动态类加载较多的应用

🔍 验证 CDS 是否生效

# 查看 JVM 启动日志，确认 CDS 加载
docker logs <container-id> 2>&1 | grep -i "shared archive"

# 应该看到类似输出：
# [0.001s][info][cds] Opened archive /app.jsa
# [0.002s][info][cds] Using shared archive

总结

CDS 技术通过预处理类元数据，为 Spring Boot 应用带来了显著的启动性能提升。结合 Cloud Native Buildpacks 或自定义 Dockerfile，我们可以轻松地将 CDS 优化集成到现有的 CI/CD 流程中。

关键要点：

• 🚀 显著提升启动速度：减少 20-50% 的启动时间
• 💾 优化内存使用：减少类元数据的内存占用
• 🐳 容器友好：特别适合容器化和微服务架构
• ⚙️ 配置简单：通过环境变量即可启用

通过合理的配置和最佳实践，CDS 将成为提升 Spring Boot 应用性能的重要工具！ ✨