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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: 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(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1 GB 50％<size> 
1 GB - 2 GB <size> - 512 MB 
大于2 GB 大于2 GB

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。

1.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kill，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)。

2.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1 GB - 4 GB，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)。