Java Swing背景

Java Swing是从1.6时代开始成熟的Java桌面应用GUI框架，也是以前大学里做算法毕设时走Java栈码农的必备开发能力之一。虽然现如今Java的桌面端能力已有多种更优秀的替代方案，例如JavaFX、Eclipse RCP等，但作为经典GUI框架，Swing以其简单的编码模式、优秀的跨平台能力、JRE默认自带包以及较小的JAR分发包，一直是我的Java桌面应用开发首选。

Java Swing缺点

Swing作为桌面应用有个较大的缺陷，其实也是Java在普通软件使用者里遇到的问题就是需要安装JRE环境，这个对于基于C++、C#开发的桌面应用相比，增加了用户的使用门槛，但如果分发软件时带上了JRE后又会增加了太多体积，更甚者，Swing的运行效率跟原生应用相比慢上了好几倍。上述的问题也是Java栈码农写桌面应用历来的痛点问题。

Java AOT技术简介

随着Java技术的发展，AOT技术如雨后春笋般涌现，从最早的Android ART替代Dalvik虚拟机，到GraalVM替代普通JDK，从原理上用一句话解释就是将动态语言的JIT过程通过AOT进行静态化。Java在Native这条道路上越走越宽，随之带来的好处就是开发者不需改变任何代码就可以让Java程序的运行性能媲美原生应用。

GraalVM特性简介

GraalVM的发布将JVM的适用范围从Java扩展到了Scala、Kotlin、Groovy、Clojure、R、Python、JavaScript和Ruby，从本质上讲GraalVM允许开发人员在单个应用程序中以多种语言和库高效地运行代码。其中最令我感到兴奋的就是Native Image组件，它是一种将Java代码提前编译为独立可执行文件的技术，该执行文件里包含了应用程序类、依赖、运行时库以及JDK静态连接的本机代码。相比基于运行在普通JVM的Java程序，其具备更快的启动时间和更低的运行时开销，并且可以完全脱离JVM环境。

本文目标

既然GraalVM Native Image这么强，那么Swing程序是否同样可以编译为独立可执行文件呢？我特意翻找了GraalVM的讨论帖，发现该问题早在2019年就有人提出过Issue（https://github.com/oracle/graal/issues/1327），但直到如今一直都没有Close，那么事实真的如此么？本着折腾心理，在空暇时我对Swing程序Native化做了不少的实验也踩了不少坑，终于在最近成功实现了目标。

因此本文的目的很简单，分享利用GraalVM的Native Image功能将Swing程序在Windows系统下Native化的Step by Step过程，最终生成脱离JVM的exe可执行程序。虽然本文是以Swing程序的Native化作为教程分享目标，但实际上也同样适用于所有Java程序的Native化，希望可以具备参考意义。

环境准备

系统

Windows 7+ （64位）

GraalVM环境

GraalVM Community Edition 21.2.0 （Java8）

将GraalVM加入到系统环境变量中

安装组件：

Native Image Installable SVM 21.2.0

安装组件命令：

gu install -L native-image-installable-svm-java8-windows-amd64-21.2.0.jar

下载地址：

https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases/tag/vm-21.2.0

注意点：

Java8的GraalVM最高仅支持到了21.3.1，但该版本存在一些bug，因此只能选择次新的21.2.0版本。

Visual Studio环境

Visual Studio Community 2017+

安装组件：

Visual C++

Swing程序

由于编译Native Image的特殊性，我们需要在Swing程序的main方法入口最开始处强制设置一个环境变量，否则在完成后面的编译后，运行会失败：

System.setProperty("java.home", ".");

将Swing程序编译打包为jar文件，并且将依赖库打入Jar中，取名：test.jar。正常运行Swing程序的命令为：

java -jar test.jar

开始编译Native Image

进入VC编译环境

开始菜单找到并打开 “Visual Studio 2017\Visual Studio Tools\VC\适用于 VS 2017 的 x64 本机工具命令提示”

进入Jar文件目录

假设Jar文件目录名为native-test，目录里只有test.jar文件，我们通过cd命令进入到native-test目录内。

以代理类模式运行Jar文件采集meta信息

此步骤的意义在于让Native Image在Swing应用运行过程中监控到所有运行时动态加载的类，包括jni加载类、代理类、反射类、静态资源文件等，这些类必须要应用正常运行时才能感知到，无法通过系统简单静态引用分析获取。通过以下命令可以将采集到的所有meta信息保存在native-image子目录下：

java -agentlib:native-image-agent=config-output-dir=native-image -jar test.jar

采集的步骤可以通过以下方式重复运行，以达到人为干预触达到应用所有分支逻辑的作用，config-merge-dir命令可以将所有采集到的meta信息进行去重合并：

java -agentlib:native-image-agent=config-merge-dir=native-image -jar test.jar

以下是采集完成后生成的meta信息文件：

手工补充采集到的meta文件

此步骤主要是因为Native Image对于Swing应用的运行时类监控存在缺陷，没有将必要的系统类加入到meta信息中，需要手工补充进去，否则在完成编译后运行文件时会报错找不到类。

native-image\jni-config.json 添加以下内容到json末尾节点：

{

"name": "java.lang.Object",

"methods": [

{

"name": "toString"

}

]

{

"name": "java.lang.Class",

"methods": [

{

"name": "getComponentType"

}

]

{

"name": "java.lang.String",

"methods": [

{

"name": "getBytes"

{

"name": "toCharArray"

{

"name": "<init>"

}

]

{

"name": "java.lang.reflect.Method",

"methods": [

{

"name": "getParameterTypes"

{

"name": "getReturnType"

}

]

{

"name": "java.nio.Buffer",

"methods": [

{

"name": "position"

}

]

{

"name": "java.nio.ByteBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.nio.CharBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.nio.ShortBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.nio.IntBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.nio.LongBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.nio.FloatBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.nio.DoubleBuffer",

"methods": [

{

"name": "array"

{

"name": "arrayOffset"

}

]

{

"name": "java.lang.Void",

"fields": [

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Boolean",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Byte",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Character",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Short",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Integer",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Long",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Float",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "java.lang.Double",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

"fields": [

{

"name": "value"

{

"name": "TYPE"

}

]

{

"name": "sun.java2d.d3d.D3DRenderQueue$1",

"methods": [

{

"name": "run"

}

]

{

"name": "sun.java2d.d3d.D3DGraphicsDevice$1",

"methods": [

{

"name": "run"

}

]

{

"name": "sun.java2d.d3d.D3DSurfaceData$1",

"methods": [

{

"name": "run"

}

]

{

"name": "sun.java2d.d3d.D3DSurfaceData",

"fields": [

{

"name": "nativeHeight"

{

"name": "nativeWidth"

}

]

{

"name": "java.awt.image.ComponentSampleModel",

"fields": [

{

"name": "pixelStride"

{

"name": "scanlineStride"

{

"name": "bandOffsets"

{

"name": "bankIndices"

{

"name": "numBands"

{

"name": "numBanks"

}

]

{

"name": "sun.awt.image.ByteComponentRaster",

"fields": [

{

"name": "bandOffset"

{

"name": "dataOffsets"

{

"name": "scanlineStride"

{

"name": "pixelStride"

{

"name": "data"

{

"name": "type"

}

]

{

"name": "java.awt.event.MouseWheelEvent",

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

]

}

native-image\jni-config.json 找到java.awt.image.IndexColorModel、sun.java2d.InvalidPipeException json节点，里面添加以下内容：

"methods": [

{

"name": "<init>"

}

]

native-image\reflect-config.json 添加以下内容到json末尾节点：

{

"name": "com.github.markusbernhardt.proxy.jna.win.WinHttp",