图0:Java和Docker限制的那些事儿

Java和Docker不是天然的朋友。 Docker可以设置内存和CPU限制,而Java不能自动检测到。使用Java的Xmx标识(繁琐/重复)或新的实验性JVM标识,我们可以解决这个问题。

虚拟化中的不匹配

图1:Java和Docker限制的那些事儿

Java和Docker的结合并不是完美匹配的,最初的时候离完美匹配有相当大的距离。对于初学者来说,JVM的全部设想就是,虚拟机可以让程序与底层硬件无关。

那么,把我们的Java应用打包到JVM中,然后整个再塞进Docker容器中,能给我们带来什么好处呢?大多数情况下,你只是在复制JVMs和Linux容器,除了浪费更多的内存,没任何好处。感觉这样子挺傻的。

不过,Docker可以把你的程序,设置,特定的JDK,Linux设置和应用服务器,还有其他工具打包在一起,当做一个东西。站在DevOps/Cloud的角度来看,这样一个完整的容器有着更高层次的封装。

问题一:内存

时至今日,绝大多数产品级应用仍然在使用Java 8(或者更旧的版本),而这可能会带来问题。Java 8(update 131之前的版本)跟Docker无法很好地一起工作。问题是在你的机器上,JVM的可用内存和CPU数量并不是Docker允许你使用的可用内存和CPU数量。

比如,如果你限制了你的Docker容器只能使用100MB内存,但是呢,旧版本的Java并不能识别这个限制。Java看不到这个限制。JVM会要求更多内存,而且远超这个限制。如果使用太多内存,Docker将采取行动并杀死容器内的进程!JAVA进程被干掉了,很明显,这并不是我们想要的。

为了解决这个问题,你需要给Java指定一个最大内存限制。在旧版本的Java(8u131之前),你需要在容器中通过设置-Xmx来限制堆大小。这感觉不太对,你可不想定义这些限制两次,也不太想在你的容器中来定义。

幸运的是我们现在有了更好的方式来解决这个问题。从Java 9之后(8u131+),JVM增加了如下标志:

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap

这些标志强制JVM检查Linux的cgroup配置,Docker是通过cgroup来实现最大内存设置的。现在,如果你的应用到达了Docker设置的限制(比如500MB),JVM是可以看到这个限制的。JVM将会尝试GC操作。如果仍然超过内存限制,JVM就会做它该做的事情,抛出OutOfMemoryException。也就是说,JVM能够看到Docker的这些设置。

从Java 10之后(参考下面的测试),这些体验标志位是默认开启的,也可以使用-XX:+UseContainerSupport来使能(你可以通过设置-XX:-UseContainerSupport来禁止这些行为)。

问题二:CPU

第二个问题是类似的,但它与CPU有关。简而言之,JVM将查看硬件并检测CPU的数量。它会优化你的runtime以使用这些CPUs。但是同样的情况,这里还有另一个不匹配,Docker可能不允许你使用所有这些CPUs。可惜的是,这在Java 8或Java 9中并没有修复,但是在Java 10中得到了解决。

从Java 10开始,可用的CPUs的计算将采用以不同的方式(默认情况下)解决此问题(同样是通过UseContainerSupport)。

Java和Docker的内存处理测试

图1:Java和Docker限制的那些事儿

作为一个有趣的练习,让我们验证并测试Docker如何使用几个不同的JVM版本/标志甚至不同的JVM来处理内存不足。

首先,我们创建一个测试应用程序,它只是简单地“吃”内存并且不释放它。

java
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class MemEat {
    public static void main(String[] args) {
        List l = new ArrayList<>();
        while (true) {
            byte b[] = new byte[1048576];
            l.add(b);
            Runtime rt = Runtime.getRuntime();
            System.out.println( "free memory: " + rt.freeMemory() );
        }
    }
}

我们可以启动Docker容器并运行这个应用程序来查看会发生什么。

测试一:Java 8u111

首先,我们将从具有旧版本Java 8的容器开始(update 111)。

shell
docker run -m 100m -it java:openjdk-8u111 /bin/bash

我们编译并运行MemEat.java文件:

shell
javac MemEat.java
java MemEat
...
free memory: 67194416
free memory: 66145824
free memory: 65097232
Killed

正如所料,Docker已经杀死了我们的Java进程。不是我们想要的(!)。你也可以看到输出,Java认为它仍然有大量的内存需要分配。

我们可以通过使用-Xmx标志为Java提供最大内存来解决此问题:

shell
javac MemEat.java
java -Xmx100m MemEat
...
free memory: 1155664
free memory: 1679936
free memory: 2204208
free memory: 1315752
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at MemEat.main(MemEat.java:8)

在提供了我们自己的内存限制之后,进程正常停止,JVM理解它正在运行的限制。然而,问题在于你现在将这些内存限制设置了两次,Docker一次,JVM一次。

测试二:Java 8u144

如前所述,随着增加新标志来修复问题,JVM现在可以遵循Docker所提供的设置。我们可以使用版本新一点的JVM来测试它。

shell
docker run -m 100m -it adoptopenjdk/openjdk8 /bin/bash

(在撰写本文时,此OpenJDK Java镜像的版本是Java 8u144)

接下来,我们再次编译并运行MemEat.java文件,不带任何标志:

shell
javac MemEat.java
java MemEat
...
free memory: 67194416
free memory: 66145824
free memory: 65097232
Killed

依然存在同样的问题。但是我们现在可以提供上面提到的实验性标志来试试看:

shell
javac MemEat.java
java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap MemEat
...
free memory: 1679936
free memory: 2204208
free memory: 1155616
free memory: 1155600
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at MemEat.main(MemEat.java:8)

这一次我们没有告诉JVM限制的是什么,我们只是告诉JVM去检查正确的限制设置!现在感觉好多了。

测试三:Java 10u23

有些人在评论和Reddit上提到Java 10通过使实验标志成为新的默认值来解决所有问题。这种行为可以通过禁用此标志来关闭:-XX:-UseContainerSupport。

当我测试它时,它最初不起作用。在撰写本文时,AdoptAJDK OpenJDK10镜像与jdk-10+23一起打包。这个JVM显然还是不理解UseContainerSupport标志,该进程仍然被Docker杀死。

shell
docker run -m 100m -it adoptopenjdk/openjdk10 /bin/bash

测试了代码(甚至手动提供需要的标志):

shell
javac MemEat.java
java MemEat
...
free memory: 96262112
free memory: 94164960
free memory: 92067808
free memory: 89970656
Killed
java -XX:+UseContainerSupport MemEat
Unrecognized VM option 'UseContainerSupport'
Error: Could not create the Java Virtual Machine.
Error: A fatal exception has occurred. Program will exit.

测试四:Java 10u46(Nightly)

我决定尝试AdoptAJDK OpenJDK 10的最新nightly构建。它包含的版本是Java 10+46,而不是Java 10+23。

shell
docker run -m 100m -it adoptopenjdk/openjdk10:nightly /bin/bash

然而,在这个ngithly构建中有一个问题,导出的PATH指向旧的Java 10+23目录,而不是10+46,我们需要修复这个问题。

shell
export PATH=$PATH:/opt/java/openjdk/jdk-10+46/bin/
javac MemEat.java
java MemEat
...
free memory: 3566824
free memory: 2796008
free memory: 1480320
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at MemEat.main(MemEat.java:8)

成功!不提供任何标志,Java 10依然可以正确检测到Dockers内存限制。

测试五:OpenJ9

我最近也在试用OpenJ9,这个免费的替代JVM已经从IBM J9开源,现在由Eclipse维护。

请在我的下一篇博文(http://royvanrijn.com/blog/2018/05/openj9-jvm-shootout/)中阅读关于OpenJ9的更多信息。

它运行速度快,内存管理非常好,性能卓越,经常可以为我们的微服务节省多达30-50%的内存。这几乎可以将Spring Boot应用程序定义为’micro’了,其运行时间只有100-200mb,而不是300mb+。我打算尽快就此写一篇关于这方面的文章。

但令我惊讶的是,OpenJ9还没有类似于Java 8/9/10+中针对cgroup内存限制的标志(backported)的选项。如果我们将以前的测试用例应用到最新的AdoptAJDK OpenJDK 9 + OpenJ9 build:

shell
docker run -m 100m -it adoptopenjdk/openjdk9-openj9 /bin/bash

我们添加OpenJDK标志(OpenJ9会忽略的标志):

shell
java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap MemEat
...
free memory: 83988984
free memory: 82940400
free memory: 81891816
Killed

Oops,JVM再次被Docker杀死。

我真的希望类似的选项将很快添加到OpenJ9中,因为我希望在生产环境中运行这个选项,而不必指定最大内存两次。 Eclipse/IBM正在努力修复这个问题,已经提了issues,甚至已经针对issues提交了PR。

更新:(不推荐Hack)

一个稍微丑陋/hacky的方式来解决这个问题是使用下面的组合标志:

shell
java -Xmx`cat /sys/fs/cgroup/memory/memory.limit_in_bytes` MemEat
...
free memory: 3171536
free memory: 2127048
free memory: 2397632
free memory: 1344952
JVMDUMP039I Processing dump event "systhrow", detail "java/lang/OutOfMemoryError" at 2018/05/15 14:04:26 - please wait.
JVMDUMP032I JVM requested System dump using '//core.20180515.140426.125.0001.dmp' in response to an event
JVMDUMP010I System dump written to //core.20180515.140426.125.0001.dmp
JVMDUMP032I JVM requested Heap dump using '//heapdump.20180515.140426.125.0002.phd' in response to an event
JVMDUMP010I Heap dump written to //heapdump.20180515.140426.125.0002.phd
JVMDUMP032I JVM requested Java dump using '//javacore.20180515.140426.125.0003.txt' in response to an event
JVMDUMP010I Java dump written to //javacore.20180515.140426.125.0003.txt
JVMDUMP032I JVM requested Snap dump using '//Snap.20180515.140426.125.0004.trc' in response to an event
JVMDUMP010I Snap dump written to //Snap.20180515.140426.125.0004.trc
JVMDUMP013I Processed dump event "systhrow", detail "java/lang/OutOfMemoryError".
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at MemEat.main(MemEat.java:8)

在这种情况下,堆大小受限于分配给Docker实例的内存,这适用于较旧的JVM和OpenJ9。这当然是错误的,因为容器本身和堆外的JVM的其他部分也使用内存。但它似乎工作,显然Docker在这种情况下是宽松的。也许某些bash大神会做出更好的版本,从其他进程的字节中减去一部分。

无论如何,不要这样做,它可能无法正常工作。

测试六:OpenJ9(Nightly)

有人建议使用OpenJ9的最新nightly版本。

shell
docker run -m 100m -it adoptopenjdk/openjdk9-openj9:nightly /bin/bash

最新的OpenJ9夜间版本,它有两个东西:

  1. 另一个有问题的PATH参数,需要先解决这个问题
  2. JVM支持新标志UseContainerSupport(就像Java 10一样)
shell
export PATH=$PATH:/opt/java/openjdk/jdk-9.0.4+12/bin/
javac MemEat.java
java -XX:+UseContainerSupport MemEat
...
free memory: 5864464
free memory: 4815880
free memory: 3443712
free memory: 2391032
JVMDUMP039I Processing dump event "systhrow", detail "java/lang/OutOfMemoryError" at 2018/05/15 21:32:07 - please wait.
JVMDUMP032I JVM requested System dump using '//core.20180515.213207.62.0001.dmp' in response to an event
JVMDUMP010I System dump written to //core.20180515.213207.62.0001.dmp
JVMDUMP032I JVM requested Heap dump using '//heapdump.20180515.213207.62.0002.phd' in response to an event
JVMDUMP010I Heap dump written to //heapdump.20180515.213207.62.0002.phd
JVMDUMP032I JVM requested Java dump using '//javacore.20180515.213207.62.0003.txt' in response to an event
JVMDUMP010I Java dump written to //javacore.20180515.213207.62.0003.txt
JVMDUMP032I JVM requested Snap dump using '//Snap.20180515.213207.62.0004.trc' in response to an event
JVMDUMP010I Snap dump written to //Snap.20180515.213207.62.0004.trc
JVMDUMP013I Processed dump event "systhrow", detail "java/lang/OutOfMemoryError".
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

TADAAA,正在修复中!

奇怪的是,这个标志在OpenJ9中默认没有启用,就像它在Java 10中一样。再说一次:确保你测试了这是你想在一个Docker容器中运行Java。

结论

图1:Java和Docker限制的那些事儿

简言之:注意资源限制的不匹配。测试你的内存设置和JVM标志,不要假设任何东西。

如果您在Docker容器中运行Java,请确保你设置了Docker内存限制和在JVM中也做了限制,或者你的JVM能够理解这些限制。

如果您无法升级您的Java版本,请使用-Xmx设置您自己的限制。

对于Java 8和Java 9,请更新到最新版本并使用:

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap

对于Java 10,确保它支持’UseContainerSupport’(更新到最新版本)。

对于OpenJ9(我强烈建议使用,可以在生产环境中有效减少内存占用量),现在使用-Xmx设置限制,但很快会出现一个支持UseContainerSupport标志的版本。

英文链接:java-and-docker-memory-limits

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