容器中的JVM資源該如何被安全的限制？
前言 java
Java與Docker的結合，雖然更好的解決了application的封裝問題。但也存在着不兼容，好比Java並不能自動的發現Docker設置的內存限制,CPU限制。docker
這將致使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，進而致使你監控你的pod一天重啓次數甚至能達到幾百次。緩存
咱們但願當Java進程運行在容器中時，java可以自動識別到容器限制，獲取到正確的內存和CPU信息，而不用每次都須要在kubernetes的yaml描述文件中顯示的配置完容器，還須要配置JVM參數。安全
使用JVM MaxRAM參數或者解鎖實驗特性的JVM參數，升級JDK到10+，咱們能夠解決這個問題（也許吧~.~）。app
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，也就是說咱們在容器內看到的/proc/meminfo，/proc/cpuinfo 與直接在宿主機上看到的一致，以下。jvm
Host測試
cat /proc/meminfo
MemTotal: 197869260 kB
MemFree: 3698100 kB
MemAvailable: 62230260 kB
容器ui
docker run -it --rm alpine cat /proc/meminfo
MemTotal: 197869260 kB
MemFree: 3677800 kB
MemAvailable: 62210088 kB
那麼Java是如何獲取到Host的內存信息的呢？沒錯就是經過/proc/meminfo來獲取到的。線程
默認狀況下，JVM的Max Heap Size是系統內存的1/4，假如咱們系統是8G，那麼JVM將的默認Heap≈2G。code
Docker經過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，因爲默認狀況下Java 壓根就看不見CGroups的限制的內存大小，而默認使用/proc/meminfo中的信息做爲內存信息進行啓動， 這種不兼容狀況會致使，若是容器分配的內存小於JVM的內存，JVM進程會被理解殺死。
內存限制不兼容
咱們首先來看一組測試，這裏咱們採用一臺內存爲188G的物理機。
#free -g total used free shared buff/cache available Mem: 188 122 1 0 64 64
如下的測試中，咱們將包含openjdk的hotspot虛擬機，IBM的openj9虛擬機。
如下測試中，咱們把正確識別到限制的jdk，稱之爲安全（即不會超出容器限制不會被kill），反之稱之爲危險。
測試用例1(OPENJDK)
這一組測試咱們使用最新的openjdk8-12，給容器限制內存爲4G，看JDK默認參數下的最大堆爲多少？看看咱們默認參數下多少版本的JDK是安全的
命令以下，若是你也想試試看，能夠用一下命令。
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（並無識別容器限制，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（並無識別容器限制，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 1.8.0Linuxamd64-64-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
分析以前咱們先了解這麼一個狀況：
JavaMemory (MaxRAM) = 元數據+線程+代碼緩存+OffHeap+Heap...
通常咱們都只配置Heap即便用-Xmx來指定JVM可以使用的最大堆。而JVM默認會使用它獲取到的最大內存的1/4做爲堆的緣由也是如此。
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色（8和9須要特殊參數，-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap）。
OpenJ9
2.IbmOpenJ9全部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後，OpenJdk把最大堆設置爲了大概容器內存的1/4，對內存的浪費不可謂不大。
固然能夠配合另外一個JVM參數來配置最大堆。-XX:MaxRAMFraction=int。下面是我整理的一個常見內存設置的表格， 從中咱們能夠看到彷佛JVM默認的最大堆的取值爲MaxRAMFraction=4，隨着內存的增長，堆的閒置空間愈來愈大，在16G容器內存時，java堆只有不到4G。
MaxRAMFraction取值 堆佔比 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
關於OpenJ9的的詳細介紹你能夠從這裏瞭解更多。 對於內存利用率OpenJ9的策略是優於OpenJdk的。如下是OpenJ9的策略表格
容器內存<size> 最大Java堆大小
小於1 GB50％<size>
1 GB - 2 GB<size> - 512 MB
大於2 GB 大於2 GB
結論
注意：這裏咱們說的是容器內存限制，和物理機內存不一樣，
自動檔
若是你想要的是，不顯示的指定-Xmx，讓Java進程自動的發現容器限制。
1.若是你想要的是jvm進程在容器中安全穩定的運行，不被容器kill，而且你的JDK版本小於10（大於等於JDK10的版本不須要設置，參考前面的測試） 你須要額外設置JVM參數-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap，便可保證你的Java進程不會由於內存問題被容器Kill。 固然這個方式使用起來簡單，可靠，缺點也很明顯，資源利用率太低（參考前面的表格MaxRAMFraction=4）。
2.若是想在基礎上我還想提升一些內存資源利用率，而且容器內存爲1 GB - 4 GB，我建議你設置-XX:MaxRAMFraction=2，在大於8G的能夠嘗試設置-XX:MaxRAMFraction=1（參考上表格）。
手動擋
若是你想要的是手動擋的體驗，更加進一步的利用內存資源，那麼你可能須要回到手動配置時代-Xmx。 手動擋部分，請能夠徹底忽略上面個人BB。
1.上面的咱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，無需擔憂和思考去配置-Xmx。
2.好比你有內存1G那麼我建議你的-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的其餘內存。若是堆特別大，能夠預留到1G甚至2G。
3.手動擋用起來就沒有那麼舒服了，固然資源利用率相對而言就更高了。
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