容器中的JVM資源該如何被安全的限制？
前言
Java與Docker的結合，雖然更好的解決了application的封裝問題。但也存在著不兼容，比如Java并不能自動的發現Docker設置的內存限制,CPU限制。
這將導致JVM不能穩定服務業務!容器會殺死你JVM進程，而健康檢查又將拉起你的JVM進程，進而導致你監控你的pod一天重啟次數甚至能達到幾百次。
我們希望當Java進程運行在容器中時，java能夠自動識別到容器限制，獲取到正確的內存和CPU信息，而不用每次都需要在kubernetes的yaml描述文件中顯示的配置完容器，還需要配置JVM參數。
使用JVM MaxRAM參數或者解鎖實驗特性的JVM參數，升級JDK到10+，我們可以解決這個問題(也許吧~.~)。
首先Docker容器本質是是宿主機上的一個進程，它與宿主機共享一個/proc目錄，也就是說我們在容器內看到的/proc/meminfo，/proc/cpuinfo 與直接在宿主機上看到的一致，如下。
Host
- cat /proc/meminfo
- MemTotal: 197869260 kB
- MemFree: 3698100 kB
- MemAvailable: 62230260 kB
容器
- docker run -it --rm alpine cat /proc/meminfo
- MemTotal: 197869260 kB
- MemFree: 3677800 kB
- MemAvailable: 62210088 kB
那么Java是如何獲取到Host的內存信息的呢?沒錯就是通過/proc/meminfo來獲取到的。
默認情況下，JVM的Max Heap Size是系統內存的1/4，假如我們系統是8G，那么JVM將的默認Heap≈2G。
Docker通過CGroups完成的是對內存的限制，而/proc目錄是已只讀形式掛載到容器中的，由于默認情況下Java 壓根就看不見CGroups的限制的內存大小，而默認使用/proc/meminfo中的信息作為內存信息進行啟動， 這種不兼容情況會導致，如果容器分配的內存小于JVM的內存，JVM進程會被理解殺死。
內存限制不兼容
我們首先來看一組測試，這里我們采用一臺內存為188G的物理機。
- #free -g total used free shared buff/cache available
- Mem: 188 122 1 0 64 64
以下的測試中，我們將包含openjdk的hotspot虛擬機，IBM的openj9虛擬機。
以下測試中，我們把正確識別到限制的jdk，稱之為安全(即不會超出容器限制不會被kill)，反之稱之為危險。
測試用例1(OPENJDK)
這一組測試我們使用***的openjdk8-12，給容器限制內存為4G，看JDK默認參數下的***堆為多少?看看我們默認參數下多少版本的JDK是安全的
命令如下，如果你也想試試看，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(并沒有識別容器限制，26.67G) 危險
- [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 (正確的識別容器限制，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(并沒有識別容器限制，26.67G)危險
- [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 (正確的識別容器限制，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(正確的識別容器限制，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(正確的識別容器限制，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(正確的識別容器限制，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)
測試用例2(IBMOPENJ9)
- 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 (正確的識別容器限制，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 (正確的識別容器限制，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 (正確的識別容器限制，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(正確的識別容器限制，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
分析之前我們先了解這么一個情況：
JavaMemory (MaxRAM) = 元數據+線程+代碼緩存+OffHeap+Heap...
一般我們都只配置Heap即使用-Xmx來指定JVM可使用的***堆。而JVM默認會使用它獲取到的***內存的1/4作為堆的原因也是如此。
安全性(即不會超過容器限制被容器kill)
OpenJdk
OpenJdk8-12,都能保證這個安全性的特點(8和9需要特殊參數，-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap)。
OpenJ9
2.IbmOpenJ9所有的版本都能識別到容器限制。
資源利用率
OpenJdk
自動識別到容器限制后，OpenJdk把***堆設置為了大概容器內存的1/4，對內存的浪費不可謂不大。
當然可以配合另一個JVM參數來配置***堆。-XX:MaxRAMFraction=int。下面是我整理的一個常見內存設置的表格， 從中我們可以看到似乎JVM默認的***堆的取值為MaxRAMFraction=4，隨著內存的增加，堆的閑置空間越來越大，在16G容器內存時，java堆只有不到4G。
- MaxRAMFraction取值 堆占比 容器內存=1G 容器內存=2G 容器內存=4G 容器內存=8G 容器內存=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
關于OpenJ9的的詳細介紹你可以從這里了解更多。 對于內存利用率OpenJ9的策略是優于OpenJdk的。以下是OpenJ9的策略表格
- 容器內存<size> ***Java堆大小
- 小于1 GB 50％<size>
- 1 GB - 2 GB <size> - 512 MB
- 大于2 GB 大于2 GB
結論
注意：這里我們說的是容器內存限制，和物理機內存不同，
自動檔
如果你想要的是，不顯示的指定-Xmx，讓Java進程自動的發現容器限制。
1.如果你想要的是jvm進程在容器中安全穩定的運行，不被容器kill，并且你的JDK版本小于10(大于等于JDK10的版本不需要設置，參考前面的測試) 你需要額外設置JVM參數-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap，即可保證你的Java進程不會因為內存問題被容器Kill。 當然這個方式使用起來簡單，可靠，缺點也很明顯，資源利用率過低(參考前面的表格MaxRAMFraction=4)。
2.如果想在基礎上我還想提高一些內存資源利用率，并且容器內存為1 GB - 4 GB，我建議你設置-XX:MaxRAMFraction=2，在大于8G的可以嘗試設置-XX:MaxRAMFraction=1(參考上表格)。
手動擋
如果你想要的是手動擋的體驗，更加進一步的利用內存資源，那么你可能需要回到手動配置時代-Xmx。 手動擋部分，請可以完全忽略上面我的BB。
1.上面的我們說到了自動擋的配置，用起來很簡單很舒服，自動發現容器限制，無需擔心和思考去配置-Xmx。
2.比如你有內存1G那么我建議你的-Xmx750M,2G建議配置-Xmx1700M,4G建議配置-Xmx3500-3700M,8G建議設置-Xmx7500-7600M, 總之就是至少保留300M以上的內存留給JVM的其他內存。如果堆特別大，可以預留到1G甚至2G。
3.手動擋用起來就沒有那么舒服了，當然資源利用率相對而言就更高了。
