RISC-V中开发Java是一种什么体验？
文/郑孝林
01背景介绍
1. alibaba dragonwell 发行版
alibaba dragonwell [1] 是一款免费的 openjdk 发行版。它提供了长期支持，包括性能增强、安全修复以及 dragonwell 上专有的一些特性，比如 wisp 协程、多租户、jwarmup、g1 elastic heap 以及 serviceability 上的特性 [2] 等等。dragonwell 包括 8、11、17 三个版本，而每个版本又包括 standard (和 openjdk 基本保持一致) 和 extended (基于 openjdk，搭载了 dragonwell 的各种专有特性) 两个子版本。而我们当前介绍的 risc-v 后端支持是在 dragonwell11 上的 extended 版本上，已在 2023 年 2 月正式 release，其中 dragonwell11 上的特性如 wisp 暂时还不支持。
2. risc-v 指令集架构
risc-v [3] 是一个基于 risc (精简指令集) 的指令集架构。它主要的特性是开源、模块化、可扩展性以及非常精简的指令集。当前的 risc-v 主要应用于物联网;而后续进入服务器领域也是未来可期的。同时，得到 arm 等商业芯片指令集的授权都需要支付高额的商业费用，而 risc-v 是完全开源的指令集架构，芯片厂商可以根据自己的需要做定制化。当前的商业 risc-v 处理器有如 alibaba 玄铁 c910 处理器、sifive 的 risc-v 半导体 ip 核等。从开发的角度而言，它们也都是使用体验很好的处理器/设备。
3. openjdk on risc-v
在 2020 年的年末，华为的 bisheng jdk 团队开源了基于 openjdk 的 risc-v (64位) 后端实现，约 6w 行代码的 initial load [4]。alibaba dragonwell 团队也同期参与到了 risc-v 后端研发当中。从 alibaba dragonwell 团队的角度，在去年社区成立 openjdk/riscv-port repo [5] ，随后 risc-v 后端正式合并到上游 openjdk/jdk repo [6] 到现在，我们对 openjdk risc-v 后端的贡献包括在 openjdk 上的 risc-v c 压缩指令扩展这个特性的实现;20 余个 bug fixes;部分 enhancements 和 refactoring;以及部分 loom (协程) risc-v port 的支持等。其中 c 扩展的实现已经在 openjdk 20 上的 risc-v 后端中默认开启，可以减小 ~20% 的后端 java compiled code 的 code size footprint。
02alibaba dragonwell11 on risc-v
为什么是 jdk11?
jdk11 是当前的主流版本。国内的 java 客户大多都在使用 jdk8，但现在已经有越来越多升级到 jdk11 的趋势了。默认的 g1 gc (cms 在后面 jdk 版本中已经弃用)、更好的性能、aarch64 后端更好的支持、appcds 特性、safepoint 的 threadlocal handshake、能提升代码性能的 segmented code cache 特性等都可以让 jdk11 相比于 jdk8 有更多的优势，也是用户升级 jdk 的动力所在。虽然 jdk11 的确是当下的主流版本，但是社区上的 risc-v 后端是在 19/20 这两个版本中支持的，因此这对于很多 java 应用的维护者来说，升级到这么高的版本的确是略有些遥远且工作量颇高的事情。所以，如果要尝试在 risc-v 上开发 java 应用的话，能继续使用 jdk11 应该是一个比较好的选择。
硬件特性支持平头哥 risc-v 芯片
因此，alibaba dragonwell 团队将 openjdk 上游的 risc-v 后端移植回了 dragonwell11 [7] 上，我们会长期维护 dragonwell11 的版本和后端，同步上游社区的 bug fixes 保证用户的使用体验。从兼容性的角度上讲，我们完成了 qemu / sifive 开发板 / 平头哥开发板 上的验证，以及 jck / jtreg / specjbb2015 等各种 benchmark 的支持。dragonwell11 上的 risc-v 和上游大部分保持一致;包括基础的 rvi 指令集支持的同时，我们还支持一部分平头哥芯片专有的指令集和其生态，如果在平头哥的硬件上如 c910，则可以使用 -xx:+usecsky 开启相关的支持。与此同时，我们还支持一些基于 rvv(risc-v 的向量指令扩展)-0.7.1 的 vector intrinsic 的向量化，在支持 rvv-0.7.1 版本的(如平头哥的一些 risc-v 芯片，如开启 vector 支持的 c910 等)开发板上可以自动开启。由于搭载 rvv-1.0 版本的芯片现阶段实际上很少，所以 dragonwell 可能是目前唯一能够在硬件上运行 rvv 的 jdk。
二进制版本下载
dragonwell11 的二进制版本 [8] 已经于二月份发布，有兴趣的开发者可以直接从 github 链接下载。此外，dragonwell11 的 risc-v 版本已经集成进龙蜥的 anolis 源中，如果是使用 anolis os 的用户可以直接使用 yum 源来安装 dragonwell11 jdk。
使用方便的 qemu docker 容器镜像进行模拟
risc-v 现在还在快速发展阶段中。因此面临着硬件资源有限的问题：开发者有时并不容易得到硬件设备;拿到硬件设备之后还面临着需要搭建环境、初始化网络等比较麻烦的操作。在这种情况下，有一个模拟器就是非常有必要的了。主流的模拟器是 qemu，如果把 qemu 内置在 docker 镜像当中，用户就可以得到最大程度上的使用便利：用户可以直接在 x86 机器上一键模拟 risc-v 程序。并且，镜像是 portable 的：因为容器镜像可以随时迁移到其他机器上去。我们维护了一个 risc-v qemu docker 镜像的仓库 [9]，使用 debian 的 risc-v 源。用户可以直接查看 readme 手动构建一个 qemu docker。省力一些的话，用户也可以直接将镜像 pull 下来：
# 现只支持 x86 宿主机 docker pull multiarch/qemu-user-static && docker run --rm --privileged --net host multiarch/qemu-user-static --reset docker pull alibabadragonwelljdk/riscv-qemu && docker run -it --rm alibabadragonwelljdk/riscv-qemu /bin/bash
demo：springboot 示例
springboot 是非常优秀的 java 应用框架，我们可以从官网上 [10] 下载其 hello world demo 并使用 maven 构建。
我们也提供了一个预编译好的 springboot demo 以供演示用。
我们可以在实际的物理开发板上启动 java 程序;也可以在上述的 qemu docker 中用同样的命令启动：
图/启动一个简单的 springboot hello world 程序 (实际启动时间可能与图片上有差别)
03致谢感谢
华为 bisheng jdk 团队的开发同学们的工作，感谢中科院软件所 plct 实验室团队对硬件设施方面给予的帮助。感谢社区 risc-v 后端的 reviewers 的各种帮助。我们也会持续输出并不断反馈社区，在社区的维护上贡献我们的力量。
04总结和展望
risc-v 是一个有前景的指令集，中立和开放是它的两大优势。在成立了 datacenter (数据中心) sig 和 hpc (高性能计算) sig 之后，risc-v 也开始逐渐向高性能方向逐渐演进。除此之外，就 risc-v 的软件生态而言，risc-v 上的各种 toolchain (gcc、gdb 等) 的支持也已经十分完备，各种操作系统 (ubuntu、debian) 等都已经支持了 risc-v 指令集，各种开源社区对相关软件的移植的支持也非常积极。debian-port 上大约 95% 的软件包都可以在 risc-v 上使用 [11]，因此用户的开发流程是比较流畅的。相比于 x86 平台的一些复杂指令及一些历史包袱，risc-v 具有着较新、指令集简单、较强的拓展性等特性，已经 ratify 了多个指令集扩展。随着社区的蓬勃发展，我们相信 risc-v 架构有着光明的前景。
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1. alibaba dragonwell 发行版
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2. risc-v 指令集架构
risc-v [3] 是一个基于 risc (精简指令集) 的指令集架构。它主要的特性是开源、模块化、可扩展性以及非常精简的指令集。当前的 risc-v 主要应用于物联网;而后续进入服务器领域也是未来可期的。同时，得到 arm 等商业芯片指令集的授权都需要支付高额的商业费用，而 risc-v 是完全开源的指令集架构，芯片厂商可以根据自己的需要做定制化。当前的商业 risc-v 处理器有如 alibaba 玄铁 c910 处理器、sifive 的 risc-v 半导体 ip 核等。从开发的角度而言，它们也都是使用体验很好的处理器/设备。
3. openjdk on risc-v
在 2020 年的年末，华为的 bisheng jdk 团队开源了基于 openjdk 的 risc-v (64位) 后端实现，约 6w 行代码的 initial load [4]。alibaba dragonwell 团队也同期参与到了 risc-v 后端研发当中。从 alibaba dragonwell 团队的角度，在去年社区成立 openjdk/riscv-port repo [5] ，随后 risc-v 后端正式合并到上游 openjdk/jdk repo [6] 到现在，我们对 openjdk risc-v 后端的贡献包括在 openjdk 上的 risc-v c 压缩指令扩展这个特性的实现;20 余个 bug fixes;部分 enhancements 和 refactoring;以及部分 loom (协程) risc-v port 的支持等。其中 c 扩展的实现已经在 openjdk 20 上的 risc-v 后端中默认开启，可以减小 ~20% 的后端 java compiled code 的 code size footprint。
02alibaba dragonwell11 on risc-v
为什么是 jdk11?
jdk11 是当前的主流版本。国内的 java 客户大多都在使用 jdk8，但现在已经有越来越多升级到 jdk11 的趋势了。默认的 g1 gc (cms 在后面 jdk 版本中已经弃用)、更好的性能、aarch64 后端更好的支持、appcds 特性、safepoint 的 threadlocal handshake、能提升代码性能的 segmented code cache 特性等都可以让 jdk11 相比于 jdk8 有更多的优势，也是用户升级 jdk 的动力所在。虽然 jdk11 的确是当下的主流版本，但是社区上的 risc-v 后端是在 19/20 这两个版本中支持的，因此这对于很多 java 应用的维护者来说，升级到这么高的版本的确是略有些遥远且工作量颇高的事情。所以，如果要尝试在 risc-v 上开发 java 应用的话，能继续使用 jdk11 应该是一个比较好的选择。
硬件特性支持平头哥 risc-v 芯片
因此，alibaba dragonwell 团队将 openjdk 上游的 risc-v 后端移植回了 dragonwell11 [7] 上，我们会长期维护 dragonwell11 的版本和后端，同步上游社区的 bug fixes 保证用户的使用体验。从兼容性的角度上讲，我们完成了 qemu / sifive 开发板 / 平头哥开发板 上的验证，以及 jck / jtreg / specjbb2015 等各种 benchmark 的支持。dragonwell11 上的 risc-v 和上游大部分保持一致;包括基础的 rvi 指令集支持的同时，我们还支持一部分平头哥芯片专有的指令集和其生态，如果在平头哥的硬件上如 c910，则可以使用 -xx:+usecsky 开启相关的支持。与此同时，我们还支持一些基于 rvv(risc-v 的向量指令扩展)-0.7.1 的 vector intrinsic 的向量化，在支持 rvv-0.7.1 版本的(如平头哥的一些 risc-v 芯片，如开启 vector 支持的 c910 等)开发板上可以自动开启。由于搭载 rvv-1.0 版本的芯片现阶段实际上很少，所以 dragonwell 可能是目前唯一能够在硬件上运行 rvv 的 jdk。
二进制版本下载
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我们也提供了一个预编译好的 springboot demo 以供演示用。
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图/启动一个简单的 springboot hello world 程序 (实际启动时间可能与图片上有差别)
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