容器(docker)中运行java需关注的几个小问题

简介

  • container： 资源隔离、平台无关， 限制cpu、mem等资源
  • Java： 平台无关、Write once, run anywhere、WORA 
      java不知道自己运行在container里，以为它看到的资源都能用。结果：java工作在资源充足的

详述

程序运行的两个核心资源：cpu和mem，其他资源或许也有限制，暂不涉及。

cpu

jvm检测可用cpu个数来优化运行时，影响jvm后台做的一些决策。

影响

实验

实验所用容器宿主机器是4核CPU16G内存
  • java 6/7/8/9 
      docker run --cpus 1 -m 1G -it adoptopenjdk/openjdk9:latest # 给1核

  jshell -J-Xmx512M -v # 启动jshell

  Runtime.getRuntime().availableProcessors() # 结果是不是1！！！
  • java 10 
      docker run --cpus 1 -m 1G -it adoptopenjdk/openjdk10:latest # 给1核

  jshell -J-Xmx512M -v # 启动jshell

  Runtime.getRuntime().availableProcessors() # 结果是1

对策

java 10才解决这个问题
  • java 10之前：手动设置jvm相关的选项，如：
    • ParallelGCThreads
    • ConcGCThreads
    • G1ConcRefinementThreads
    • CICompilerCount / CICompilerCountPerCPU
  • java 10+:
    • UseContainerSupport， 默认开启

mem

jvm自动检测拿到的是宿主机的内存信息，它无法感知容器的资源上限
主要需要关注：动态内存管理(上下限，默认值)

我们先了解下java进程内存消耗在哪里

内存结构

JFTR: 分代:垃圾收集的一大策略，并不是所有GC算法都分代哦

内存总量 = 广义堆内存 + 广义堆外内存

广义堆内内存 = 狭义堆内内存 + 永久代(Perm)
	狭义对内内存 = 新生代(New) + 老年代(Old) # Xmx Xms
	新生代(New) = S0 + S1 + Eden # NewSize NewRatio SurvivorRatio

    广义堆外内存 = 狭义堆外内存(directbytebuffer)  # MaxDirectMemorySize，netty/mina等高性能网络通信常用，具体不是很了解
                    + java栈 # 需关注，线程数 * ThreadStackSize(Xss)
                    + native栈 # 不大，线程数 * VMThreadStackSize + CICompilerCount * CompilerThreadStackSize
                    + pc寄存器  # 可忽略
                    + jni（如带用c/c++ malloc）# 这个不可控，一般忽略就好


    java 8之后Metaspace替代了Perm，从广义堆内转移到广义对外，why?
        - Perm连续、固定、jvm启动即claim到max，浪费，不好控制
        - 代码实验发现Perm不受Xmx限制`java -Xmx10M -Xmx10M -XX:PermSize=100M -XX:MaxPermSize=100M -version`
        - Metaspace的实现类似链式结构，默认值-1(无限大，取决于kernel让用多少)，在fullgc时gc

    上面关于广义/狭义内存的定义是参考别人的资料后，自己定义的。。。不喜勿喷

        - 官方对于Perm的定义摇摆不定，前后矛盾，让我自己很困惑

            正方：在
                http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html
                http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/memorymanagement-whitepaper-150215.pdf
                
One important change in Memory Management in Java 8


            反方：不在
                https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/management/jconsole.html
                https://stackoverflow.com/questions/1262328/how-is-the-java-memory-pool-divided
                https://blogs.oracle.com/jonthecollector/presenting-the-permanent-generation
                https://www.journaldev.com/2856/java-jvm-memory-model-memory-management-in-java
                https://www.yourkit.com/docs/kb/sizes.jsp
                https://blog.codecentric.de/en/2010/01/the-java-memory-architecture-1-act/

        - 与Metaspace替换Perm有点儿关系吧

综上，我们需要关注下面几类参数是否合理： – 狭义堆内 Xmx – 狭对堆外 MaxDirectMemorySize – Perm/Metaspace MaxPermSize/MaxMetaspaceSize

需关注的选项默认值

- Xmx: 1/4 * 物理内存 # 此处的物理内存为Runtime看到的内存(大多时候是宿主机的内存)
- MaxDirectMemorySize
    - Xmx 未设置，物理内存
    - Xmx 设置了， Xmx - S0(1/10 * Xmx) = 0.9 * Xmx # why? SurvivorRatio默认值8
- MaxPermSize: 默认64M
        [5.0+ 64 bit: 64M * 1.3 = 85M](http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/vmoptions-jsp-140102.html)
- MaxMetaspaceSize: -1，无限制

实验

实验所用容器宿主机器是4核CPU16G内存

  • java 7 
      docker run -m 1G -it openjdk:7u181
  java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep MaxHeapSize # 结果是 16G / 4 = 4G
  • java 8 
      docker run -m 1G -it adoptopenjdk/openjdk8:latest
  java -XX:+PrintFlagsFinal -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -version | grep MaxHeapSize # 结果是 1G / 4 = 256M
  • java 9 
      docker run -m 1G -it adoptopenjdk/openjdk9:latest
  java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep MaxHeapSize # 结果是 16G / 4 = 4G
  java -XX:+PrintFlagsFinal -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -version | grep MaxHeapSize # 结果是 1G / 4 = 256M
  • java 10 
      docker run -m 1G -it adoptopenjdk/openjdk10:latest # 给1G
  jshell -v # 启动jshell
  java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep MaxHeapSize  # 结果是 1G / 4 = 256

对策

  • java5/6/7/8u131-：务必设置内存选项 
      懒人可考虑，虽然也不准确， 参考前面对jvm内存结构的分析
  java -Xmx`cat /sys/fs/cgroup/memory/memory.limit_in_bytes`
  • java8u131+和java9+
    • java 8u131+和java 9+-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap
    • java 8u191+ UseContainerSupport默认开启，backported；java 9暂未backport这个feature
  • java10+
    • 使用最新版就好了，UseContainerSupport默认开启

扩展

排查工具

  • jvm支持的选项
    • 生产 
        java -XX:+PrintFlagsFinal 2>/dev/null
    • 试验 
        java -XX:+PrintFlagsFinal -XX:+UnlockExperimentalVMOptions 2>/dev/null | grep experimental
    • 可热更新 
        java -XX:+PrintFlagsFinal -XX:+UnlockExperimentalVMOptions 2>/dev/null | grep manageable

  如：热开启gc日志

          jinfo -flag +PrintGC ${pid} # 官方文档说jinfo是实验工具，截至java 10，它都还在，[不过jhat在java9被去掉了](http://openjdk.java.net/jeps/241)
          jinfo -flag +PrintGCDetails ${pid}
  • 容器内执行jstat/jps/jmapOOM问题 
      工具类是用C++包装的java代码，它们不识别常规的传给jvm的参数，如最大内存。
  在强悍的(超级大内存)宿主机器下，容器内经常因为OOM问题启动不了这些工具。
    • java 6及之前: 通过java调用 
        java -cp ${JAVA_HOME}/lib/tools.jar -Xmx100M sun.tools.jstack.JStack ${pid}
    • java 7+ 
        jstack -J-Xmx100M -v # -J选项给jvm传参数

Ref

  • https://bugs.java.com/view_bug.do?bug_id=JDK-8146115
  • http://royvanrijn.com/blog/2018/05/java-and-docker-memory-limits/
  • https://blog.docker.com/2018/04/improved-docker-container-integration-with-java-10/
  • https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/jstat.html
  • https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5
  • http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html
  • https://blogs.oracle.com/java-platform-group/java-se-support-for-docker-cpu-and-memory-limits
  • http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/03f2bfdcb636/src/hotspot/os/linux/osContainer_linux.cpp
  • http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/03f2bfdcb636/src/hotspot/os/linux/globals_linux.hpp#l62

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