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（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。

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/