容器中的JVM资源该如何被安全的限制?


前言

Java与Docker的结合,虽然更好的解决了application的封装问题。但也存在着不兼容,比如Java并不能自动的发现Docker设置的内存限制,CPU限制。

这将导致JVM不能稳定服务业务!容器会杀死你JVM进程,而健康检查又将拉起你的JVM进程,进而导致你监控你的Pod一天重启次数甚至能达到几百次。

我们希望当Java进程运行在容器中时,Java能够自动识别到容器限制,获取到正确的内存和CPU信息,而不用每次都需要在kubernetes的yaml描述文件中显示的配置完容器,还需要配置JVM参数。

使用JVM MaxRAM参数或者解锁实验特性的JVM参数,升级JDK到10+,我们可以解决这个问题(也许吧~.~)。

首先Docker容器本质是是宿主机上的一个进程,它与宿主机共享一个/proc目录,也就是说我们在容器内看到的/proc/meminfo,/proc/cpuinfo与直接在宿主机上看到的一致,如下。

Host:
cat /proc/meminfo 
MemTotal:      197869260KB
MemFree:         3698100KB
MemAvailable:   62230260KB

容器:
docker run -it --rm alpine cat /proc/meminfo
MemTotal:      197869260KB
MemFree:         3677800KB
MemAvailable:   62210088KB

那么Java是如何获取到Host的内存信息的呢?没错就是通过/proc/meminfo来获取到的。

默认情况下,JVM的Max Heap Size是系统内存的1/4,假如我们系统是8G,那么JVM将的默认Heap≈2G。

Docker通过CGroups完成的是对内存的限制,而/proc目录是已只读形式挂载到容器中的,由于默认情况下Java压根就看不见CGroups的限制的内存大小,而默认使用/proc/meminfo中的信息作为内存信息进行启动,
这种不兼容情况会导致,如果容器分配的内存小于JVM的内存,JVM进程会被理解杀死。

内存限制不兼容

我们首先来看一组测试,这里我们采用一台内存为188G的物理机。
#free -g
               total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:            188         122           1           0          64          64

以下的测试中,我们将包含OpenJDK的hotspot虚拟机,IBM的OpenJ9虚拟机。

以下测试中,我们把正确识别到限制的JDK,称之为安全(即不会超出容器限制不会被kill),反之称之为危险。

测试用例1(OpenJDK)

这一组测试我们使用最新的OpenJDK8-12,给容器限制内存为4G,看JDK默认参数下的最大堆为多少?看看我们默认参数下多少版本的JDK是安全的

命令如下,如果你也想试试看,可以用一下命令。
docker run -m 4GB --rm  openjdk:8-jre-slim java  -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  openjdk:9-jre-slim java  -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  openjdk:10-jre-slim java -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  openjdk:11-jre-slim java -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  openjdk:12 java -XshowSettings:vm  -version

OpenJDK8(并没有识别容器限制,26.67G) 危险。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  openjdk:8-jre-slim java  -XshowSettings:vm  -version

VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 26.67G
Ergonomics Machine Class: server
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "1.8.0_181"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_181-8u181-b13-2~deb9u1-b13)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.181-b13, mixed mode)

OpenJDK8 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap (正确的识别容器限制,910.50M)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  openjdk:8-jre-slim java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 910.50M
Ergonomics Machine Class: server
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "1.8.0_181"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_181-8u181-b13-2~deb9u1-b13)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.181-b13, mixed mode)

OpenJDK 9(并没有识别容器限制,26.67G)危险。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  openjdk:9-jre-slim java  -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 29.97G
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "9.0.4"
OpenJDK Runtime Environment (build 9.0.4+12-Debian-4)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 9.0.4+12-Debian-4, mixed mode)

OpenJDK 9 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap(正确的识别容器限制,1G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  openjdk:9-jre-slim java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 1.00G
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "9.0.4"
OpenJDK Runtime Environment (build 9.0.4+12-Debian-4)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 9.0.4+12-Debian-4, mixed mode)

OpenJDK 10(正确的识别容器限制,1G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 32GB --rm  openjdk:10-jre-slim java -XshowSettings:vm -XX:MaxRAMFraction=1  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 1.00G
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "10.0.2" 2018-07-17
OpenJDK Runtime Environment (build 10.0.2+13-Debian-2)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 10.0.2+13-Debian-2, mixed mode)

OpenJDK 11(正确的识别容器限制,1G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  openjdk:11-jre-slim java -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 1.00G
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "11.0.1" 2018-10-16
OpenJDK Runtime Environment (build 11.0.1+13-Debian-3)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 11.0.1+13-Debian-3, mixed mode, sharing)

OpenJDK 12(正确的识别容器限制,1G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  openjdk:12 java -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 1.00G
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM

openjdk version "12-ea" 2019-03-19
OpenJDK Runtime Environment (build 12-ea+23)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 12-ea+23, mixed mode, sharing)

测试用例2(IBM OpenJ9)

docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk8-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk9-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk10-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk11-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version

OpenJDK8-OpenJ9(正确的识别容器限制,3G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk8-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 3.00G
Ergonomics Machine Class: server
Using VM: Eclipse OpenJ9 VM

openjdk version "1.8.0_192"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_192-b12_openj9)
Eclipse OpenJ9 VM (build openj9-0.11.0, JRE 1.8.0 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20181107_95 (JIT enabled, AOT enabled)
OpenJ9   - 090ff9dcd
OMR      - ea548a66
JCL      - b5a3affe73 based on jdk8u192-b12)

OpenJDK9-OpenJ9 (正确的识别容器限制,3G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk9-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 3.00G
Using VM: Eclipse OpenJ9 VM

openjdk version "9.0.4-adoptopenjdk"
OpenJDK Runtime Environment (build 9.0.4-adoptopenjdk+12)
Eclipse OpenJ9 VM (build openj9-0.9.0, JRE 9 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20180814_248 (JIT enabled, AOT enabled)
OpenJ9   - 24e53631
OMR      - fad6bf6e
JCL      - feec4d2ae based on jdk-9.0.4+12)

OpenJDK10-OpenJ9 (正确的识别容器限制,3G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk10-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 3.00G
Using VM: Eclipse OpenJ9 VM

openjdk version "10.0.2-adoptopenjdk" 2018-07-17
OpenJDK Runtime Environment (build 10.0.2-adoptopenjdk+13)
Eclipse OpenJ9 VM (build openj9-0.9.0, JRE 10 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20180813_102 (JIT enabled, AOT enabled)
OpenJ9   - 24e53631
OMR      - fad6bf6e
JCL      - 7db90eda56 based on jdk-10.0.2+13)

OpenJDK11-OpenJ9(正确的识别容器限制,3G)安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rm  adoptopenjdk/openjdk11-openj9:alpine-slim  java -XshowSettings:vm  -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 3.00G
Using VM: Eclipse OpenJ9 VM

openjdk version "11.0.1" 2018-10-16
OpenJDK Runtime Environment AdoptOpenJDK (build 11.0.1+13)
Eclipse OpenJ9 VM AdoptOpenJDK (build openj9-0.11.0, JRE 11 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20181020_70 (JIT enabled, AOT enabled)
OpenJ9   - 090ff9dc
OMR      - ea548a66
JCL      - f62696f378 based on jdk-11.0.1+13)

分析

分析之前我们先了解这么一个情况:
JavaMemory (MaxRAM) = 元数据+线程+代码缓存+OffHeap+Heap...

一般我们都只配置Heap即使用-Xmx来指定JVM可使用的最大堆。而JVM默认会使用它获取到的最大内存的1/4作为堆的原因也是如此。

安全性(即不会超过容器限制被容器kill)

OpenJDK:

OpenJdk8-12,都能保证这个安全性的特点(8和9需要特殊参数,-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap)。

OpenJ9:

2.IbmOpenJ9所有的版本都能识别到容器限制。

资源利用率

OpenJDK:

自动识别到容器限制后,OpenJDK把最大堆设置为了大概容器内存的1/4,对内存的浪费不可谓不大。

当然可以配合另一个JVM参数来配置最大堆。-XX:MaxRAMFraction=int。下面是我整理的一个常见内存设置的表格,从中我们可以看到似乎JVM默认的最大堆的取值为MaxRAMFraction=4,随着内存的增加,堆的闲置空间越来越大,在16G容器内存时,Java堆只有不到4G。

MaxRAMFraction取值 堆占比 容器内存=1G 容器内存=2G 容器内存=4G   容器内存=8G   容器内存=16G
1                  ≈90%  910.50M     1.78G       3.56G      7.11G      14.22G
2                  ≈50%  455.50M     910.50M     1.78G      3.56G      7.11G
3                  ≈33%  304.00M     608.00M     1.19G      2.37G      4.74G
4                  ≈25%  228.00M     455.50M     910.50M    1.78G      3.56G

OpenJ9:

关于OpenJ9的的详细介绍你可以从这里了解更多。

对于内存利用率OpenJ9的策略是优于OpenJDK的。以下是OpenJ9的策略表格.

容器内存<size>    最大Java堆大小
小于1GB          50%<size>
1GB-2GB          <size>-512MB
大于2GB          大于2GB

结论

注意:这里我们说的是容器内存限制,和物理机内存不同。

自动档

如果你想要的是,不显示的指定-Xmx,让Java进程自动的发现容器限制。

如果你想要的是JVM进程在容器中安全稳定的运行,不被容器kiil,并且你的JDK版本小于10(大于等于JDK10的版本不需要设置,参考前面的测试)。

你需要额外设置JVM参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap,即可保证你的Java进程不会因为内存问题被容器Kill。

当然这个方式使用起来简单,可靠,缺点也很明显,资源利用率过低(参考前面的表格MaxRAMFraction=4)。

如果想在基础上我还想提高一些内存资源利用率,并且容器内存为1GB - 4GB,我建议你设置-XX:MaxRAMFraction=2,在大于8G的可以尝试设置-XX:MaxRAMFraction=1(参考上表格)。

手动挡

如果你想要的是手动挡的体验,更加进一步的利用内存资源,那么你可能需要回到手动配置时代-Xmx。

手动挡部分,请可以完全忽略上面我的BB。

上面我们说到了自动挡的配置,用起来很简单很舒服,自动发现容器限制,无需担心和思考去配置-Xmx。

比如你有内存1G那么我建议你的-Xmx750M,2G建议配置-Xmx1700M,4G建议配置-Xmx3500-3700M,8G建议设置-Xmx7500-7600M,总之就是至少保留300M以上的内存留给JVM的其他内存。如果堆特别大,可以预留到1G甚至2G。

手动挡用起来就没有那么舒服了,当然资源利用率相对而言就更高了。

原文链接:https://qingmu.io/2018/12/17/H ... iner/

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