Docker 容器化实战---Java服务篇

草帽路飞UU

一、概述
　　当我们在容器中运行Java应用程序时，可能希望对其进行调整参数以充分利用资源。
　　在本教程中，我们将了解如何在运行 Java 进程的容器中设置 JVM 参数。本文将重点关注常见的 -Xmx 和-Xms 标志。
　　另外，我们还将研究使用某些 Java 版本运行的程序容器化的常见问题，以及如何在常见的容器化 Java 应用程序时设置自定义标志。
二、Java 容器中的默认堆设置
　　过去，JVM 不知道分配给容器的内存和 CPU。
　　Java 10 引入了一个新设置：+UseContainerSupport（默认启用）来修复 这个问题[3]，并在 8u191[4] 中将修复反向移植到 Java 8 。
　　现在 JVM 可以根据分配给容器的内存计算其内存。

　　1. 自动内存计算
　　当不设置-Xmx和-Xmx参数时，JVM 会根据系统规格来调整堆大小。
　　看看堆大小：
　　$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep -Ei "maxheapsize|maxram"

　　输出结果如下：
　　openjdk version "15" 2020-09-15OpenJDK Runtime Environment AdoptOpenJDK (build 15+36)OpenJDK 64-Bit Server VM AdoptOpenJDK (build 15+36, mixed mode, sharing)   size_t MaxHeapSize      = 4253024256      {product} {ergonomic} uint64_t MaxRAM           = 137438953472 {pd product} {default}    uintx MaxRAMFraction   = 4               {product} {default}   double MaxRAMPercentage = 25.000000       {product} {default}   size_t SoftMaxHeapSize  = 4253024256   {manageable} {ergonomic}

　　我们看到 JVM 将其堆大小设置为可用 RAM 的大约 25%。在这个例子中，在一个 16GB 的系统上分配了 4GB。
　　出于测试目的，创建一个文件，名为PrintXmxXms.java，内容是以 MB 为单位打印堆大小，代码内容如下：
　　import java.lang.management.ManagementFactory;import java.lang.management.MemoryMXBean;public class PrintXmxXms {    public static void main(String[] args) {        int mb = 1024 * 1024;        MemoryMXBean memoryBean = ManagementFactory.getMemoryMXBean();        long xmx = memoryBean.getHeapMemoryUsage().getMax() / mb;        long xms = memoryBean.getHeapMemoryUsage().getInit() / mb;        System.out.println("Initial Memory (xms) : " + xms + "mb");        System.out.println("Max Memory (xmx) : " + xmx + "mb");    }}

　　假设已经安装了 JDK，可以编译程序并运行：
　　$ javac ./PrintXmxXms.java$ java -cp . PrintXmxXms

　　在 16Gb RAM 的主机上，输出结果为：
　　INFO: Initial Memory (xms) : 254mbINFO: Max Memory (xmx) : 4056mb

　　下面，在容器中尝试一下。
　　JDK 8u191 之前的版本在包含 PrintXmxXms.java 文件的文件夹中添加以下 Dockerfile：
　　FROM openjdk:8u92-jdk-alpineCOPY *.java /src/RUN mkdir /app \    && ls /src \    && javac /src/PrintXmxXms.java -d /appCMD ["sh", "-c", \     "java -version \      && java -cp /app PrintXmxXms"]

　　这里使用的容器使用旧版本的 Java 8，它早于更新版本中可用的容器支持。构建镜像：
　　$ sudo docker build -t oldjava .

　　Dockerfile 中的 CMD 行是运行容器时默认执行的进程。由于没有提供-Xmx或-XmsJVM 标志，内存设置将是默认设置。
　　运行容器：
　　$ sudo docker run --rm -ti oldjavaopenjdk version "1.8.0_92-internal"OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_92-...)OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.92-b14, mixed mode)Initial Memory (xms) : 198mbMax Memory (xmx) : 2814mb

　　现在使用--memory=1g命令行标志将容器内存限制为 1GB：
　　$ sudo docker run --rm -ti --memory=1g oldjavaopenjdk version "1.8.0_92-internal"OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_92-...)OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.92-b14, mixed mode)Initial Memory (xms) : 198mbMax Memory (xmx) : 2814mb

　　输出完全相同。这证明旧的 JVM 没有遵守容器内存限制。
　　JDK 8u130 之后的版本使用相同的测试程序，更改 Dockerfile 的第一行来使用 JVM 8 的新版本：
　　FROM openjdk:8-jdk-alpine

　　然后再次做测试：
　　$ sudo docker build -t newjava .$ sudo docker run --rm -ti newjavaopenjdk version "1.8.0_212"OpenJDK Runtime Environment (IcedTea 3.12.0) (Alpine 8.212.04-r0)OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.212-b04, mixed mode)Initial Memory (xms) : 198mbMax Memory (xmx) : 2814mb

　　如上输出，使用整个 docker 主机内存来计算 JVM 堆大小。但是，如果为容器分配 1GB 的 RAM：
　　$ sudo docker run --rm -ti --memory=1g newjavaopenjdk version "1.8.0_212"OpenJDK Runtime Environment (IcedTea 3.12.0) (Alpine 8.212.04-r0)OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.212-b04, mixed mode)Initial Memory (xms) : 16mbMax Memory (xmx) : 247mb

　　这一次，JVM 根据容器可用的 1GB RAM 计算堆大小。
　　现在我们了解了 JVM 如何计算其默认值以及为什么需要一个最新的 JVM 来获得正确的默认值。

三、常用的基础镜像中内存设置
　　1.OpenJDK
　　与其直接在容器命令上硬编码 JVM 标志，不如使用环境变量。例如在Dockerfile 中使用 JAVA_OPTS 变量，可以在启动容器时对其进行修改：
　　FROM openjdk:8u92-jdk-alpineCOPY *.java /src/RUN mkdir /app \    && ls /src \    && javac /src/PrintXmxXms.java -d /appENV JAVA_OPTS=""CMD ["sh", "-c", \     "java -version \      && java $JAVA_OPTS -cp /app PrintXmxXms"]

　　构建镜像：
　　$ sudo docker build -t openjdk-java .

　　通过指定JAVA_OPTS环境变量在运行时选择内存设置：
　　$ sudo docker run --rm -ti -e JAVA_OPTS="-Xms50M -Xmx50M" openjdk-javaopenjdk version "1.8.0_92-internal"OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_92-internal-alpine-r1-b14)OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.92-b14, mixed mode)Initial Memory (xms) : 50mbMax Memory (xmx) : 48mb

　　注意：-Xmx 参数和 JVM 报告的 Max memory 之间存在细微差别。这是因为 Xmx 设置了内存分配池的最大大小，其中包括堆、垃圾收集器的幸存者空间和其他池。

　　2. Tomcat 9
　　Tomcat 9 容器有自己的启动脚本，因此要设置 JVM 参数，需要使用这些脚本。
　　bin/catalina.sh 脚本要求在环境变量 CATALINA_OPTS 中设置内存参数。
　　首先需要 创建一个 war 包 部署到 Tomcat。
　　然后，我们使用下面的Dockerfile 对其进行容器化，并在其中声明CATALINA_OPTS环境变量：
　　FROM tomcat:9.0COPY ./target/*.war /usr/local/tomcat/webapps/ROOT.warENV CATALINA_OPTS="-Xms1G -Xmx1G"

　　然后构建容器镜像并运行它：
　　$ sudo docker build -t tomcat .$ sudo docker run --name tomcat -d -p 8080:8080 \  -e CATALINA_OPTS="-Xms512M -Xmx512M" tomcat

　　注意：运行时，将新值传递给 CATALINA_OPTS。如果不提供这个值，会使用 Dockerfile 的第 3 行给出的默认值。
　　可以检查应用的运行时参数并验证选项-Xmx和-Xms是否存在：
　　$ sudo docker exec -ti tomcat jps -lv1 org.apache.catalina.startup.Bootstrap <other options...> -Xms512M -Xmx512M

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四、使用构建插件
　　Maven 和 Gradle 提供的插件允许我们在没有Dockerfile的情况下创建容器镜像。生成的镜像通常可以在运行时通过环境变量进行参数化。　　下面看几个例子。

　　1.使用 Spring Boot
　　从 Spring Boot 2.3 开始，Spring Boot Maven 和 Gradle 插件可以在没有 Dockerfile 的情况下高效构建容器。
　　使用 Maven 时，将它们添加到 spring-boot-maven-plugin 中的 <configuration>块中：
　　<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">  <groupId>com.baeldung.docker</groupId>  <artifactId>heapsizing-demo</artifactId>  <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>  <!-- dependencies... -->  <build>    <plugins>      <plugin>        <groupId>org.springframework.boot</groupId>        <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>        <configuration>          <image>            <name>heapsizing-demo</name>          </image>   <!--    for more options, check:    https://docs.spring.io/spring-bo ... single/#build-image   -->        </configuration>      </plugin>    </plugins>  </build></project>

　　要构建项目，运行下面的命令：
　　$ ./mvnw clean spring-boot:build-image

　　这将产生一个名为 <artifact-id>:<version> 的镜像。在这个例子中产生的镜像名为：demo-app:0.0.1-SNAPSHOT。Spring Boot 底层使用 Cloud Native Buildpacks 作为容器化技术。
　　该插件对 JVM 的内存设置进行硬编码。但是，我们仍然可以通过设置环境变量JAVA_OPTS 或 JAVA_TOOL_OPTIONS 来覆盖：
　　$ sudo docker run --rm -ti -p 8080:8080 \  -e JAVA_TOOL_OPTIONS="-Xms20M -Xmx20M" \  --memory=1024M heapsizing-demo:0.0.1-SNAPSHOT

　　输出将与此类似：
　　Setting Active Processor Count to 8Calculated JVM Memory Configuration: [...][...]Picked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Xms20M -Xmx20M[...]

　　2.使用谷歌JIB
　　就像 Spring Boot maven 插件一样，GoogleJIB 无需 Dockerfile 即可高效创建 Docker 镜像。Maven 和 Gradle 插件以类似的方式配置。Google JIB 还使用环境变量 JAVA_TOOL_OPTIONS 作为 JVM 参数的覆盖机制。
　　我们可以在任何能够生成可执行 jar 文件的 Java 框架中使用 Google JIB Maven 插件。例如，可以在 Spring Boot 应用程序中使用它来代替spring-boot-maven插件来生成容器镜像：
　　<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd ">    <!-- dependencies, ... -->    <build>        <plugins>            <!-- [ other plugins ] -->            <plugin>                <groupId>com.google.cloud.tools</groupId>                <artifactId>jib-maven-plugin</artifactId>                <version>2.7.1</version>                <configuration>                    <to>                        <image>heapsizing-demo-jib</image>                    </to>                </configuration>            </plugin>        </plugins>    </build></project>

　　镜像是使用 mvn jib:dockerBuild 命令构建的：
　　$ mvn clean install && mvn jib:dockerBuild

　　尝试运行：
　　$ sudo docker run --rm -ti -p 8080:8080 \-e JAVA_TOOL_OPTIONS="-Xms50M -Xmx50M" heapsizing-demo-jibPicked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Xms50M -Xmx50M[...]2021-01-25 17:46:44.070  INFO 1 --- [           main] c.baeldung.docker.XmxXmsDemoApplication  : Started XmxXmsDemoApplication in 1.666 seconds (JVM running for 2.104)2021-01-25 17:46:44.075  INFO 1 --- [           main] c.baeldung.docker.XmxXmsDemoApplication  : Initial Memory (xms) : 50mb2021-01-25 17:46:44.075  INFO 1 --- [           main] c.baeldung.docker.XmxXmsDemoApplication  : Max Memory (xmx) : 50mb

　　五、结论
　　在本文中，我们介绍了需要使用最新的 JVM 来获取在容器中默认内存设置。
　　然后，研究了在自定义容器映像中设置 -Xms 和 -Xmx 的最佳实践， 以及如何使用现有 Java 应用程序容器在其中设置 JVM 选项。
　　最后，我们看到了如何利用构建工具来管理 Java 应用程序的容器