JAVA: 容器中的JVM资源该如何被安全的限制？
本文转自：https://qingmu.io
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 64
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 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@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm openjdk:9-jre-slim java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -XshowSettings:vm -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 440.81M
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）危险 我测试的是危险，但是其他文档是安全？？？ 不知道为什么。
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm openjdk:10-jre-slim java -XshowSettings:vm -XX:MaxRAMFraction=1 --version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 3.87G
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM
openjdk 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 10 危险的原因 添加了 -XX:MaxRAMFraction=1 反而危险 不添加 -XX:MaxRAMFraction=1 如下安全
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm openjdk:10-jre-slim java -XshowSettings:vm --version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 989.88M
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM
openjdk 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 10 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap（正确的识别容器限制，1G）安全
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm openjdk:10-jre-slim java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -XshowSettings:vm --version
OpenJDK 64-Bit Server VM warning: Option UseCGroupMemoryLimitForHeap was deprecated in version 10.0 and will likely be removed in a future release.
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 989.88M
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM
openjdk 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@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm openjdk:11-jre-slim java -XshowSettings:vm --version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 989.88M
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM
openjdk 11.0.3 2019-04-16
OpenJDK Runtime Environment (build 11.0.3+1-Debian-1bpo91)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 11.0.3+1-Debian-1bpo91, mixed mode, sharing)
OpenJDK 12（正确的识别容器限制，1G）安全
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm openjdk:12 java -XshowSettings:vm --version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 989.88M
Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM
openjdk 12.0.1 2019-04-16
OpenJDK Runtime Environment (build 12.0.1+12)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 12.0.1+12, 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 这里出现了错误，限制内存512MB 而且是client模式如何改为server模式目前没找到，但是其他文档上成立的 server模式内存限制3G。
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm adoptopenjdk/openjdk8-openj9:alpine-slim java -XshowSettings:vm -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 512.00M
Ergonomics Machine Class: client
Using VM: Eclipse OpenJ9 VM
openjdk version "1.8.0_212"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_212-b03)
Eclipse OpenJ9 VM (build openj9-0.14.0, JRE 1.8.0 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20190417_286 (JIT enabled, AOT enabled)
OpenJ9 - bad1d4d06
OMR - 4a4278e6
JCL - 5590c4f818 based on jdk8u212-b03)
openjdk9-openj9 （正确的识别容器限制，3G）安全 同上面一样
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm adoptopenjdk/openjdk9-openj9:alpine-slim java -XshowSettings:vm -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 512.00M
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 同上
[root@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm adoptopenjdk/openjdk10-openj9:alpine-slim java -XshowSettings:vm -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 512.00M
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@node94 ~]# docker run -m 4GB --rm adoptopenjdk/openjdk11-openj9:alpine-slim java -XshowSettings:vm -version
VM settings:
Max. Heap Size (Estimated): 512.00M
Using VM: Eclipse OpenJ9 VM
openjdk version "11.0.3" 2019-04-16
OpenJDK Runtime Environment AdoptOpenJDK (build 11.0.3+7)
Eclipse OpenJ9 VM AdoptOpenJDK (build openj9-0.14.0, JRE 11 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20190417_202 (JIT enabled, AOT enabled)
OpenJ9 - bad1d4d06
OMR - 4a4278e6
JCL - 5cc996a803 based on jdk-11.0.3+7)
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。关于-XX:MaxRAMFraction=int设置值的介绍 设置=4 就是四分之一，设置=1 就是全部内存。
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kill，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。
