摘要：本系列文章會(huì)記錄阿里云容器服務(wù)團(tuán)隊(duì)在支持客戶中的一些心得體會(huì)和最佳實(shí)踐。阿里云服務(wù)全球首批通過一致性認(rèn)證，簡化了集群生命周期管理，內(nèi)置了與阿里云產(chǎn)品集成，也將進(jìn)一步簡化的開發(fā)者體驗(yàn)，幫助用戶關(guān)注云端應(yīng)用價(jià)值創(chuàng)新。

隨著容器技術(shù)的成熟，越來越多的企業(yè)客戶在企業(yè)中選擇Docker和Kubernetes作為應(yīng)用平臺(tái)的基礎(chǔ)。然而在實(shí)踐過程中，還會(huì)遇到很多具體問題。本系列文章會(huì)記錄阿里云容器服務(wù)團(tuán)隊(duì)在支持客戶中的一些心得體會(huì)和最佳實(shí)踐。我們也歡迎您通過郵件和釘釘群和我們聯(lián)系，分享您的思路和遇到的問題。

有些同學(xué)反映：自己設(shè)置了容器的資源限制，但是Java應(yīng)用容器在運(yùn)行中還是會(huì)莫名奇妙地被OOM Killer干掉。

這背后一個(gè)非常常見的原因是：沒有正確設(shè)置容器的資源限制以及對(duì)應(yīng)的JVM的堆空間大小。

我們拿一個(gè)tomcat應(yīng)用為例，其實(shí)例代碼和Kubernetes部署文件可以從Github中獲得。

git clone https://github.com/denverdino/system-info
cd system-info`

下面是一個(gè)Kubernetes的Pod的定義描述：

Pod中的app是一個(gè)初始化容器，負(fù)責(zé)把一個(gè)JSP應(yīng)用拷貝到 tomcat 容器的 “webapps”目錄下。注：
鏡像中JSP應(yīng)用index.jsp用于顯示JVM和系統(tǒng)資源信息。

tomcat 容器會(huì)保持運(yùn)行，而且我們限制了容器最大的內(nèi)存用量為256MB內(nèi)存。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test
spec:
  initContainers:
  - image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/denverdino/system-info
    name: app
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
      - "cp"
      - "-r"
      - "/system-info"
      - "/app"
    volumeMounts:
    - mountPath: /app
      name: app-volume
  containers:
  - image: tomcat:9-jre8
    name: tomcat
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    volumeMounts:
    - mountPath: /usr/local/tomcat/webapps
      name: app-volume
    ports:
    - containerPort: 8080
    resources:
      requests:
        memory: "256Mi"
        cpu: "500m"
      limits:
        memory: "256Mi"
        cpu: "500m"
  volumes:
  - name: app-volume
    emptyDir: {}

我們執(zhí)行如下命令來部署、測試應(yīng)用

$ kubectl create -f test.yaml
pod "test" created
$ kubectl get pods test
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
test      1/1       Running   0          28s
$ kubectl exec test curl http://localhost:8080/system-info/
...

我們可以看到HTML格式的系統(tǒng)CPU/Memory等信息，我們也可以用 html2text 命令將其轉(zhuǎn)化成為文本格式。

注意：本文是在一個(gè) 2C 4G的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行的測試，在不同環(huán)境中測試輸出的結(jié)果會(huì)有所不同

$ kubectl exec test curl http://localhost:8080/system-info/ | html2text

Java version     Oracle Corporation 1.8.0_162
Operating system Linux 4.9.64
Server           Apache Tomcat/9.0.6
Memory           Used 29 of 57 MB, Max 878 MB
Physica Memory   3951 MB
CPU Cores        2
                                          **** Memory MXBean ****
Heap Memory Usage     init = 65011712(63488K) used = 19873704(19407K) committed
                      = 65536000(64000K) max = 921174016(899584K)
Non-Heap Memory Usage init = 2555904(2496K) used = 32944912(32172K) committed =
                      33882112(33088K) max = -1(-1K)
                  

我們可以發(fā)現(xiàn)，容器中看到的系統(tǒng)內(nèi)存是 3951MB，而JVM Heap Size最大是 878MB。納尼？！我們不是設(shè)置容器資源的容量為256MB了嗎？如果這樣，當(dāng)應(yīng)用內(nèi)存的用量超出了256MB，JVM還沒對(duì)其進(jìn)行GC，而JVM進(jìn)程就會(huì)被系統(tǒng)直接OOM干掉了。

問題的根源在于：

對(duì)于JVM而言，如果沒有設(shè)置Heap Size，就會(huì)按照宿主機(jī)環(huán)境的內(nèi)存大小缺省設(shè)置自己的最大堆大小。

Docker容器利用CGroup對(duì)進(jìn)程使用的資源進(jìn)行限制，而在容器中的JVM依然會(huì)利用宿主機(jī)環(huán)境的內(nèi)存大小和CPU核數(shù)進(jìn)行缺省設(shè)置，這導(dǎo)致了JVM
Heap的錯(cuò)誤計(jì)算。

類似，JVM缺省的GC、JIT編譯線程數(shù)量取決于宿主機(jī)CPU核數(shù)。如果我們?cè)谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行多個(gè)Java應(yīng)用，即使我們?cè)O(shè)置了CPU的限制，應(yīng)用之間依然有可能因?yàn)镚C線程搶占切換，導(dǎo)致應(yīng)用性能收到影響。

了解了問題的根源，我們就可以非常簡單地解決問題了

開啟CGroup資源感知

Java社區(qū)也關(guān)注到這個(gè)問題，并在JavaSE8u131+和JDK9 支持了對(duì)容器資源限制的自動(dòng)感知能力 https://blogs.oracle.com/java...

其用法就是添加如下參數(shù)

java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap …

我們?cè)谏衔氖纠膖omcat容器添加環(huán)境變量 “JAVA_OPTS”參數(shù)

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: cgrouptest
spec:
  initContainers:
  - image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/denverdino/system-info
    name: app
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
      - "cp"
      - "-r"
      - "/system-info"
      - "/app"
    volumeMounts:
    - mountPath: /app
      name: app-volume
  containers:
  - image: tomcat:9-jre8
    name: tomcat
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    env:
    - name: JAVA_OPTS
      value: "-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap"
    volumeMounts:
    - mountPath: /usr/local/tomcat/webapps
      name: app-volume
    ports:
    - containerPort: 8080
    resources:
      requests:
        memory: "256Mi"
        cpu: "500m"
      limits:
        memory: "256Mi"
        cpu: "500m"
  volumes:
  - name: app-volume
    emptyDir: {}

我們部署一個(gè)新的Pod，并重復(fù)相應(yīng)的測試

$ kubectl create -f cgroup_test.yaml
pod "cgrouptest" created

$ kubectl exec cgrouptest curl http://localhost:8080/system-info/ | html2txt
Java version     Oracle Corporation 1.8.0_162
Operating system Linux 4.9.64
Server           Apache Tomcat/9.0.6
Memory           Used 23 of 44 MB, Max 112 MB
Physica Memory   3951 MB
CPU Cores        2
                                          **** Memory MXBean ****
Heap Memory Usage     init = 8388608(8192K) used = 25280928(24688K) committed =
                      46661632(45568K) max = 117440512(114688K)
Non-Heap Memory Usage init = 2555904(2496K) used = 31970840(31221K) committed =
                      32768000(32000K) max = -1(-1K)

我們看到JVM最大的Heap大小變成了112MB，這很不錯(cuò)，這樣就能保證我們的應(yīng)用不會(huì)輕易被OOM了。隨后問題又來了，為什么我們?cè)O(shè)置了容器最大內(nèi)存限制是256MB，而JVM只給Heap設(shè)置了112MB的最大值呢？

這就涉及到JVM的內(nèi)存管理的細(xì)節(jié)了，JVM中的內(nèi)存消耗包含Heap和Non-Heap兩類；類似Class的元信息，JIT編譯過的代碼，線程堆棧(thread stack)，GC需要的內(nèi)存空間等都屬于Non-Heap內(nèi)存，所以JVM還會(huì)根據(jù)CGroup的資源限制預(yù)留出部分內(nèi)存給Non Heap，來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定。（在上面的示例中我們可以看到，tomcat啟動(dòng)后Non Heap占用了近32MB的內(nèi)存）

在最新的JDK 10中，又對(duì)JVM在容器中運(yùn)行做了進(jìn)一步的優(yōu)化和增強(qiáng)。

容器內(nèi)部感知CGroup資源限制

如果無法利用JDK 8/9的新特性，比如還在使用JDK6的老應(yīng)用，我們還可以在容器內(nèi)部利用腳本來獲取容器的CGroup資源限制，并通過設(shè)置JVM的Heap大小。

Docker1.7開始將容器cgroup信息掛載到容器中，所以應(yīng)用可以從 /sys/fs/cgroup/memory/memory.limit_in_bytes 等文件獲取內(nèi)存、 CPU等設(shè)置，在容器的應(yīng)用啟動(dòng)命令中根據(jù)Cgroup配置正確的資源設(shè)置 -Xmx, -XX:ParallelGCThreads等參數(shù)

在 https://yq.aliyun.com/article... 一文中已經(jīng)有相應(yīng)的示例和代碼，本文不再贅述

本文分析了Java應(yīng)用在容器使用中一個(gè)常見Heap設(shè)置的問題。容器與虛擬機(jī)不同，其資源限制通過CGroup來實(shí)現(xiàn)。而容器內(nèi)部進(jìn)程如果不感知CGroup的限制，就進(jìn)行內(nèi)存、CPU分配可能導(dǎo)致資源沖突和問題。

我們可以非常簡單地利用JVM的新特性和自定義腳本來正確設(shè)置資源限制。這個(gè)可以解決絕大多數(shù)資源限制的問題。

關(guān)于容器應(yīng)用中資源限制還有一類問題是，一些比較老的監(jiān)控工具或者free/top等系統(tǒng)命令，在容器中運(yùn)行時(shí)依然會(huì)獲取到宿主機(jī)的CPU和內(nèi)存，這導(dǎo)致了一些監(jiān)控工具在容器中運(yùn)行時(shí)無法正常計(jì)算資源消耗。社區(qū)中常見的做法是利用 lxcfs 來讓容器在資源可見性的行為和虛機(jī)保持一致，后續(xù)文章會(huì)介紹其在Kubernetes上的使用方案。

阿里云Kubernetes服務(wù) 全球首批通過Kubernetes一致性認(rèn)證，簡化了Kubernetes集群生命周期管理，內(nèi)置了與阿里云產(chǎn)品集成，也將進(jìn)一步簡化Kubernetes的開發(fā)者體驗(yàn)，幫助用戶關(guān)注云端應(yīng)用價(jià)值創(chuàng)新。

原文作者：易立

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