Java EE から Quarkus による開発への移行について

Java EE から Quarkus による開発へ 
の移行について 
Shigeru Tatsuta 
2020/02/26 JakartaOne Live Japan 2020

自己紹介 
竜田茂 (たつたしげる) 
 
ソフトバンク株式会社 
テクノロジーユニット IT＆ネットワーク統括 IT 本部 
 
前職の日本オラクルでは Java アプリケーションサーバ製品の技術サポートを
担当。 
 
2013 年よりソフトバンクに参画し、Java ミドルウェア製品の全社導入支援、お
よびリアルタイム処理基盤 Chronos-Core プロジェクト、IBM との提携にともな
い IBM Watson のローカライズにも参画。  
 
現在はプロフェッショナルなテクノロジー集団の実現を目指して、Java での
CloundNative な開発を推進中。

ソフトバンクの IT 本部について 
IT 本部はいわゆる情報システム部門で、主にキャリア事業に必要な IT
サービスを提供するためシステムを開発・運用しています。 
IT 本部のシステムの多くは Java で開発、あるいは Java 製品を利用し
ています。

キャリア事業を支えるシステム開発 
キャリア事業のシステムはユーザーの皆さまの生活を支える重要なイ
ンフラであるため、自社のデータセンターで Warterfall による堅牢・堅実
なシステム開発がメインでした。

CloudNative への挑戦 
事業環境の変化に伴い、事業部門との密なコミュニケーションが重要、
スピード感が必要等のシステムの特性に応じて、アジャイル開発や
CloudNative なシステム開発も積極的に取り組んでいます。

アプリケーションサーバからの転換 
これまでのアプリケーションサーバ上での可動を前提した Java EE
ベースの開発から、アプリケーションサーバを必要としない実行可能
Jar ベースの開発への移行が課題。

大きな Java プロセス 
コンテナにおける Java プロセス 
これまでの大きな Java プロセスに複数のアプリケーションをデプロイ
から、小さな Java プロセスとアプリケーションをコンテナにパッケージし
て、デプロイする時代へ。 
App  App  App  App  App 
App
小さな Java プロセス
App App App App

クラウドネイティブなアプリケーション 
CloudNative の指針として、12-factor App があるが、コンテナのサイ
ズ、起動の速さが重要となってくる。 
I. コードベース 
バージョン管理されている1つのコードベースと複数のデプロイ 
VII. ポートバインディング  
ポートバインディングを通してサービスを公開する 
II. 依存関係 
依存関係を明示的に宣言し分離する 
VIII. 並行性 
プロセスモデルによってスケールアウトする 
III. 設定 
設定を環境変数に格納する 
IX. 廃棄容易性 
高速な起動とグレースフルシャットダウンで堅牢性を最大化する 
IV. バックエンドサービス  
バックエンドサービスをアタッチされたリソースとして扱う 
X. 開発/本番一致 
開発、ステージング、本番環境をできるだけ一致させた状態を保つ 
V. ビルド、リリース、実行  
ビルド、リリース、実行の3つのステージを厳密に分離する 
XI. ログ 
ログをイベントストリームとして扱う 
VI. プロセス 
アプリケーションを1つもしくは複数のステートレスなプロセスとして実行する 
XII. 管理プロセス 
管理タスクを1回限りのプロセスとして実行する

GraalVM のネイティブイメージ 
コンテナ環境でも引き続き社内に開発者の多い Java で開発したかっ
たが、一般に JVM は起動が遅いので、GraalVM のネイティブイメージ
に着目。

新世代 Java フレームワークの選定 
2019/06 に、GraalVM のネイティブイメージに対応している以下の新世
代 Java フレームワークを比較検討し、当時最も親和性の高かった
Quarkus の採用を決定。

Quarkus の採用 
View API
Azure Traffic  
Manager 
Azure Application
Gateway 
2019/08 より、ショップ向けの新規システム開発にて、バックエンドの
REST API に Quarkus (0.20.0) を使用して開発。 
Azure Kubernetes Service 
オンプレ 
2019/12 に一部店舗でトライアル中。近日全店舗展開予定。

JavaEE との親和性が高い 
Qarkus Blog でも言及されているとおり、Quarkus は MicroProfile と互
換性があり、Java EE との親和性が高い。 
エンタープライズシステムでは、標準である Java EE の採用が多いた
め、学習コストは低い。

Thorntail 4.x 
JBoss.org の MicroProfile の実装である Thorntail (旧 WildFly Swarm)
は次期 Thorntail 4.x の開発を中止。 
Quarkus は JBoss.org のプロジェクトが多く採用されているので、
WildFly からの MicroProfile の移行先としても良い。

Quarkus は起動が高速 
新規に開発された DI コンテナ ArC によって、依存性をビルド時に解決
するため、実行時に依存性を解決する Spring Boot と比較して起動が
高速。

初回コール時に実行  起動時に実行 
初回コール時に実行  ビルド時に実行 
新世代のフレームワーク 
Quarkus、Micronaut 等の新世代のフレームワークはアノテーションの
スキャン、依存性の解決、バイトコードの生成などの処理をビルド時に
実施するため、起動も早く、メモリのフットプリントも小さい。 
「Quarkus 入門」  
　https://www.slideshare.net/agetsuma/quarkus  
Bean 定義アノ
テーションのス
キャン
@Inject アノテー
ションのスキャン
依存性の解決
プロキシバイト
コードの生成
Bean の生成
前世代 
新世代

Kubernetes の死活監視 
MicroProfile Health も準拠しているため、Kubernetes の Liveness
Probe、Readiness Probe も容易に対応できる。 
livenessProbe: 
httpGet: 
path: /health/live 
port: 8080 
initialDelaySeconds: 15 
periodSeconds: 5 
timeoutSeconds: 15 
successThreshold: 1 
failureThreshold: 3 
readinessProbe: 
httpGet: 
path: /health/ready 
port: 8080 
initialDelaySeconds: 15 
periodSeconds: 5 
timeoutSeconds: 15 
successThreshold: 1 
failureThreshold: 3

テスト機能の充実 
Spring Boot と同様に、UT の実装についてもフレームワークでサポート
されており、@SpringBootTest のように @QuarkusTest で CDI のテスト
も実装できる。 
特に HTTP ベースのテストは REST Assured が統合されており、Spring
Boot と比較すると実装しやすい。 
@QuarkusTest 
public class GreetingResourceTest { 
 
@Test 
public void testHelloEndpoint() { 
given() 
.when().get("/hello") 
.then() 
.statusCode(200) 
.body(is("hello")); 
} 
 
}

プロファイルの切り替え 
Spring Boot と同様に、application.properties に、%プロファイル名で定
義し、実行時に -Dquarkus.profile=プロファイル名で切り替えができ、
CI/CD とも親和性が高い。 
quarkus.datasource.url=jdbc:sqlserver://localhost:1433 
%it.quarkus.datasource.url=jdbc:sqlserver://xxxx:1433 
%st.quarkus.datasource.url=jdbc:sqlserver://xxxx:1433 
%pr.quarkus.datasource.url=jdbc:sqlserver://xxxx:1433 
 
JavaEE では、DeltaSpike を利用して実現していたが、はるかに使いや
すい。

ここがいまいちだよ Quarkus

ときおり Quarkus が起動しなくなる 
Quarkus を使い始めた当初は、ときおり以下のようなエラーが発生して
Quarkus が起動しなくなる。 
Unable to properly register the hierarchy of the following classes for reflection as they are not in the Jandex index: 
- com.example.Fruit 
- com.example.Car 
Consider adding them to the index either by creating a Jandex index for your dependency or via quarkus.index-dependency
properties.

Jandex インデックスの生成方法 
Quarkus の Bean Discovery の実装に起因するもので、以下の
jandex-maven-plugin の設定を追加することで対応可能。 
(というか、最初から設定されていれば・・・) 
<plugin> 
<groupId>org.jboss.jandex</groupId> 
<artifactId>jandex-maven-plugin</artifactId> 
<version>1.0.7</version> 
<executions> 
<execution> 
<id>make-index</id> 
<goals> 
<goal>jandex</goal> 
</goals> 
</execution> 
</executions> 
</plugin>

デフォルト設定では fatJar でない 
デフォルトの設定では fatJar とはなっておらず、-runner.jar だけでは起
動しない。target の下の lib の下のファイルも必要。 
$ java -jar code-with-quarkus-1.0.0-SNAPSHOT-runner.jar 
Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: io/quarkus/runtime/Application 
at java.base/java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) 
at java.base/java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:1016) 
at java.base/java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:174) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.defineClass(BuiltinClassLoader.java:800) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.findClassOnClassPathOrNull(BuiltinClassLoader.java:698) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.loadClassOrNull(BuiltinClassLoader.java:621) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.loadClass(BuiltinClassLoader.java:579) 
at java.base/jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader.loadClass(ClassLoaders.java:178) 
at java.base/java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:521) 
at io.quarkus.runner.GeneratedMain.main(GeneratedMain.zig:27) 
Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: io.quarkus.runtime.Application 
... 10 more

fatJar のビルド設定 
fatJar としてビルドするには、quarkus-maven-plugin で uberJar=true
を指定すればよい。 
<plugin> 
<groupId>io.quarkus</groupId> 
<artifactId>quarkus-maven-plugin</artifactId> 
<version>${quarkus-plugin.version}</version> 
<executions> 
<execution> 
<goals> 
<goal>build</goal> 
</goals> 
<configuration> 
<uberJar>true</uberJar> 
</configuration> 
</execution> 
</executions> 
</plugin>

署名付き Jar でエラー 
fatJar としてビルドした場合、依存ライブラリに署名付き Jar が含まれ
ていると、SecurityException が発生する。 
$ java -jar target/backend-runner.jar 
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again 
Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Invalid signature file digest for Manifest main attributes 
at java.base/sun.security.util.SignatureFileVerifier.processImpl(SignatureFileVerifier.java:336) 
at java.base/sun.security.util.SignatureFileVerifier.process(SignatureFileVerifier.java:269) 
at java.base/java.util.jar.JarVerifier.processEntry(JarVerifier.java:273) 
at java.base/java.util.jar.JarVerifier.update(JarVerifier.java:230) 
at java.base/java.util.jar.JarFile.initializeVerifier(JarFile.java:757) 
at java.base/java.util.jar.JarFile.ensureInitialization(JarFile.java:1034) 
at java.base/java.util.jar.JavaUtilJarAccessImpl.ensureInitialization(JavaUtilJarAccessImpl.java:69) 
at java.base/jdk.internal.loader.URLClassPath$JarLoader$2.getManifest(URLClassPath.java:870) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.defineClass(BuiltinClassLoader.java:786) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.findClassOnClassPathOrNull(BuiltinClassLoader.java:698) 
at java.base/jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader.loadClassOrNull(BuiltinClassLoader.java:621) 
at java.base/java.lang.Class.forName0(Native Method) 
at java.base/java.lang.Class.forName(Class.java:398) 
at java.base/sun.launcher.LauncherHelper.loadMainClass(LauncherHelper.java:760) 
at java.base/sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:655)

署名付き Jar の対処 
<plugin> 
<groupId>io.quarkus</groupId> 
<artifactId>quarkus-maven-plugin</artifactId> 
<version>${quarkus-plugin.version}</version> 
<executions> 
<execution> 
<goals> 
<goal>build</goal> 
</goals> 
<configuration> 
<uberJar>true</uberJar> 
<ignoredEntries> 
<ignoredEntry>META-INF/MSFTSIG.SF</ignoredEntry> 
<ignoredEntry>META-INF/MSFTSIG.RSA</ignoredEntry> 
</ignoredEntries> 
</configuration> 
</execution> 
</executions> 
</plugin> 
 
 
META-INF/*.SF、META-INF/*.RSA などを ignoredEntry で指定するこ
とで回避可能。 
ただし、#4259 の修正により 0.23.2 以降では発生しない。

JAX-WS 連携がサポートされていない 
JAX-WS (Apache CXF) の extension は #4005 Extension for CXF で
開発中。Apache CXF を直接使うことはできるが、Java 9 以降では
JAXB などの API がごっそりなくなっているので依存性の解決は結構
面倒。 
<dependency> 
<groupId>org.apache.cxf</groupId> 
<artifactId>cxf-rt-frontend-jaxws</artifactId> 
<scope>compile</scope> 
</dependency> 
<dependency> 
<groupId>javax.xml.ws</groupId> 
<artifactId>jaxws-api</artifactId> 
<scope>compile</scope> 
</dependency> 
<dependency> 
<groupId>org.apache.cxf</groupId> 
<artifactId>cxf-rt-transports-http</artifactId> 
<scope>runtime</scope> 
</dependency>

fatJar と Apache CXF との相性 
Apache CXF を直接利用することは可能だが、fatJar で利用すると
NullPointerException が発生する。 
java.lang.NullPointerException 
at org.apache.cxf.wsdl11.WSDLServiceFactory.<init>(WSDLServiceFactory.java:85) 
at org.apache.cxf.jaxws.ServiceImpl.initializePorts(ServiceImpl.java:217) 
at org.apache.cxf.jaxws.ServiceImpl.initialize(ServiceImpl.java:160) 
at org.apache.cxf.jaxws.ServiceImpl.<init>(ServiceImpl.java:128) 
at org.apache.cxf.jaxws.spi.ProviderImpl.createServiceDelegate(ProviderImpl.java:82) 
at javax.xml.ws.Service.<init>(Service.java:112) 
 
 
quarkus-maven-plugin で uberJar=false で、回避はできるが、fatJar は
現状は諦めるしかない。 
⇒ 現状は -runner.jar と lib 下の jar ファイルをコンテナ化。

Mock オブジェクトがいまいち 
Spring Boot では @MockBean で、mockito と連携できるが、Quarkus
の場合は Mock クラスは自作する必要がある。 
@Mock 
@ApplicationScoped  
public class MockExternalService extends ExternalService { 
 
@Override 
public String service() { 
return "mock"; 
} 
} 
 
 
Spring Boot + mockito に比べると、テストごとに Mock オブジェクトの
振る舞いをセットアップできなくて不便。

Quarkus は画面はサポートしていない 
Quarkus は Spring Boot や Micronaut とは異なり画面は実装できな
い。#1911 によると JSP などの View はサポートされておらず、今のと
ころサポートするつもりもないらしい。 
現状、フロントエンドは Spring Boot で実装しているが、Micronaut か、
SPA への移行を検討。

Azure App Insights との連携がいまいち 
Spring Boot の場合、以下の依存性を追加し、さらに
application.properties で設定をするだけで、アプリケーションの変更せ
ずに、Application Insights と自動で連携できる。 
<dependency> 
<groupId>com.microsoft.azure</groupId> 
<artifactId>applicationinsights-spring-boot-starter</artifactId> 
<version>2.5.1</version> 
</dependency> 
 
 
azure.application-insights.instrumentation-key=[your ikey from the resource] 
spring.application.name=[your app name] 
Quarkus はまだメジャーではないので Application Insights Spring Boot
Starter のようなものは存在しない。

Netty に関連する OOM 
Quarkus 内部的に Netty を利用しており、アプリケーション側で Direct
Buffer を使う実装が多い場合、Direct buffer memory に起因する
OutOfMemoryError が発生し易い。 
Exception in thread "Thread-316" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory 
at java.base/java.nio.Bits.reserveMemory(Unknown Source) 
at java.base/java.nio.DirectByteBuffer.<init>(Unknown Source) 
at java.base/java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(Unknown Source) 
at java.base/sun.nio.ch.Util.getTemporaryDirectBuffer(Unknown Source) 
at java.base/sun.nio.ch.IOUtil.read(Unknown Source) 
at java.base/sun.nio.ch.IOUtil.read(Unknown Source) 
at java.base/sun.nio.ch.SimpleAsynchronousFileChannelImpl$2.run(Unknown Source) 
at java.base/java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(Unknown Source) 
at java.base/java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(Unknown Source) 
at java.base/java.lang.Thread.run(Unknown Source)

JVM のチューニング 
Java ヒープを多く確保するため、Native メモリのチューニングを攻めた
チューニングとしてたため、MaxDirectMemorySize を増やし、
-Djdk.nio.maxCachedBufferSize=262144 を設定。 
-XX:MetaspaceSize=128m
-XX:MaxMetaspaceSize=128m
-XX:InitialCodeCacheSize=64m
-XX:ReservedCodeCacheSize=64m
-XX:CompressedClassSpaceSize=64m
-XX:MaxDirectMemorySize=64m
-Djdk.nio.maxCachedBufferSize=262144

Quarkus のリリースサイクル 
  バージョン  リリース日 
1.0.x 
1.0.0.Final  2019/10/25 
1.0.1.Final  2019/11/28 
1.1.x 
1.1.0.Final  2019/12/17 
1.1.1.Final  2020/01/07 
1.2.x 
1.2.0.Final  2020/01/23 
1.2.1.Final  2020/02/19 
Quarkus はマイナーバージョンアップが早く、新しいマイナーバージョン
がリリースされると、パッチバージョンはリリースされない。 
エンタープライズでは、できるだけ長くメジャー/マイナーバージョンを使
い続けたいので、昨今の JDK の問題と同様悩ましい。

Quarkus のバージョンアップ 
2 週間のイテレーションでアジャイル開発しており、リリースのタイミング
で最新の OS、JDK、Quakus にバージョンアップし、最新のバージョンに
追従することで対応。 
ソースコード 
静的解析 
単体 
テスト 
結合 
テスト 
システム 
テスト 
コンテナ 
保存 
webhook
Azure Kubernetes Service 
Azure Container Registory 社内 Docker Registory  
pull deploy

いろいろ不満も言ったけど

Quarkus おすすめです 
JavaEE に慣れ親しんだエンジニアにとって、MicroProfile の移行先とし
て、学習コストも低くお勧め。 
1) REST API だけでよく、画面は実装する必要はない場合 
2) JavaEE の慣れ親しんだエンジニアが社内に多い場合 
3) WildFly 等の JBoss.org の製品を利用している場合 
4) Microservice、CloudNative な開発を視野に入れている場合 
ただし、バージョンアップが早いため、短いリリースサイクルで、最新
バージョンに追従していける体制が必要。

これから挑戦したいこと

ネイティブイメージの利用について 
「Javaの起動時間といかに戦うか」  
　https://speakerdeck.com/kishida/how-to-fight-against-java-warmup-time  
  JIT  AOT 
ビルド時間  ○  ✕ 
起動時間  ✕  ○ 
スループット  ○  ✕ 
ピークパフォーマンスまで   ✕  ○ 
ネイティブイメージにも将来的には挑戦したいが、AOT にもメリデメが
あり、JIT でも十分起動は高速なので、ネイティブイメージであと数秒削
るのが有意義なのかは、慎重に判断。

CDS の利用について 
「Javaの起動時間といかに戦うか」  
　https://speakerdeck.com/kishida/how-to-fight-against-java-warmup-time  
現状は LTS の Java 11 を利用しているが、リリースごとに最新の Java
に追従していくなら、LTS でなくてよいので、最新の Java に移行し、
Class-Data Sharing を利用した起動の高速化も検討。 
機能  バージョン  JEP 
Application Class-Data Sharing   Java 10  JEP 310 
Default CDS Archives   Java 12  JEP 341

Azure Application Insights 対応 
Java 用の Application Insights の API は提供されているので、
Application Insights Spring Boot Starter のようなものを実装し、Spring
Boot と同等にアプリケーションを監視できるようにしたい。

ご清聴ありがとうございました

＃  資料名 
①  【JJUG CCC 2019 Fall】JavaオンプレシステムをAKS + Quarkusに移行した話 
②  Quarkus is Eclipse MicroProfile 3.2 compatible! 
③  Thorntail Community Announcement on Quarkus 
④  Quarkus Dependency Injection 
⑤  Quarkus入門 
⑥  Unable to forward from a JAX-RS service to JSP 
⑦  Extension for CXF 
⑧  Skip adding signature files to the generated uber jar 
⑨  Fixing Java's ByteBuffer native memory "leak" 
⑩  Javaの起動時間といかに戦うか 
参考資料

Java EE から Quarkus による開発への移行について

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