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          6

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)。

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)。

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。
    1.上面的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。
    2.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。
    3.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。

作者:青木

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

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评论 2

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  1. #2

    不知道.NET Core的这方面的处理会不会好一点呢

    VPS2342个月前 (01-10)回复
  2. #1

    不知道楼主有没有遇到过,java服务运行一段时间后,由于docker stats 计算了cache,导致了内存逐渐上升的情况,导致docker stats 查看内存使用率在95%以上,其实已经分的很大了,比如容器限制了4g,jvm分配了2g。

    carnation2个月前 (01-30)回复