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。html

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。java

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。docker

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~.~)。緩存

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。安全

  • 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。app

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。eclipse

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。jvm

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。測試

 

#free -g
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:            188         122           1           0          64          6

如下的測試中,咱們將包含openjdk的hotspot虛擬機,IBM的openj9虛擬機。ui

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 1.8.0 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 GB 50%<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kiil,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。

 

https://blog.kelu.org/tech/2018/05/30/running-a-jvm-in-a-container-without-getting-killed.html

做者:青木

原文連接:https://qingmu.io/2018/12/17/How-to-securely-limit-JVM-resources-in-a-container/

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