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learn.lianglianglee.com/专栏/Java 业务开发常见错误 100 例/38 加餐8：Java程序从虚拟机迁移到Kubernetes的一些坑.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>38 加餐8：Java程序从虚拟机迁移到Kubernetes的一些坑</h1>
<p>你好，我是朱晔，我们又见面了。结课并不意味着结束，我非常高兴能持续把好的内容分享给你，也希望你能继续在留言区与我保持交流，分享你的学习心得和实践经验。</p>
<p>使用 Kubernetes 大规模部署应用程序，可以提升整体资源利用率，提高集群稳定性，还能提供快速的集群扩容能力，甚至还可以实现集群根据压力自动扩容。因此，现在越来越多的公司开始把程序从虚拟机（VM）迁移到 Kubernetes 了。</p>
<p>在大多数的公司中，Kubernetes 集群由运维来搭建，而程序的发布一般也是由 CI/CD 平台完成。从虚拟机到 Kubernetes 的整个迁移过程，基本不需要修改任何代码，可能只是重新发布一次而已。所以，我们 Java 开发人员可能对迁移这个事情本身感知不强烈，认为 Kubernetes 只是运维需要知道的事情。但是程序一旦部署到了 Kubernetes 集群中，在容器环境中运行，总是会出现各种各样之前没有的奇怪的问题。</p>
<p>今天的加餐，就让我们一起看下这其中大概会遇到哪些“坑”，还有相应的“避坑方法”。</p>
<h2>Pod IP 不固定带来的坑</h2>
<p>Pod 是 Kubernetes 中能够创建和部署应用的最小单元，我们可以通过 Pod IP 来访问到某一个应用实例，但需要注意的是，如果没有经过特殊配置，Pod IP 并不是固定不变的，会在 Pod 重启后会发生变化。</p>
<p>不过好在，通常我们的 Java 微服务都是没有状态的，我们并不需要通过 Pod IP 来访问到某一个特定的 Java 服务实例。通常来说，要访问到部署在 Kubernetes 中的微服务集群，有两种服务发现和访问的方式：</p>
<p>通过 Kubernetes 来实现。也就是通过 Service 进行内部服务的互访，通过 Ingress 从外部访问到服务集群。</p>
<p>通过微服务注册中心（比如 Eureka）来实现。也就是服务之间的互访通过客户端负载均衡后 + 直接访问 Pod IP 进行，外部访问到服务集群通过微服务网关转发请求。</p>
<p>使用这两种方式进行微服务的访问，我们都没有和 Pod IP 直接打交道，也不会把 Pod IP 记录持久化，所以一般不需要太关注 Pod IP 变动的问题。不过，在一些场景下，Pod IP 的变动会造成一些问题。</p>
<p>之前我就遇到过这样的情况：某任务调度中间件会记录被调度节点的 IP 到数据库，随后通过访问节点 IP 查看任务节点执行日志的时候，如果节点部署在 Kubernetes 中，那么节点重启后 Pod IP 就会变动。这样，之前记录在数据库中的老节点的 Pod IP 必然访问不到，那么就会发生无法查看任务日志的情况。</p>
<p>遇到这种情况，我们应该怎么做呢？这时候，可能就需要修改这个中间件，把任务执行日志也进行持久化，从而避免这种访问任务节点来查看日志的行为。</p>
<p>总之，我们需要意识到 Pod IP 不固定的问题，并且进行“避坑操作”：在迁移到 Kubernetes 集群之前，摸排一下是否会存在需要通过 IP 访问到老节点的情况，如果有的话需要进行改造。</p>
<h2>程序因为 OOM 被杀进程的坑</h2>
<p>在 Kubernetes 集群中部署程序的时候，我们通常会为容器设置一定的内存限制（limit），容器不可以使用超出其资源 limit 属性所设置的资源量。如果容器内的 Java 程序使用了大量内存，可能会出现各种 OOM 的情况。</p>
<p>第一种情况，是 OS OOM Kill 问题。如果过量内存导致操作系统 Kernel 不稳定，操作系统可能就会杀死 Java 进程。这时候，你能在操作系统 /var/log/messages 日志中找到类似 oom_kill_process 的关键字。</p>
<p>第二种情况，是我们最常遇到的 Java 程序的 OOM 问题。程序超出堆内存的限制申请内存，导致 Heap OOM，后续可能会因为健康检测没有通过被 Kubernetes 重启 Pod。</p>
<p><img src="assets/2cf6d48915a0bce6834cf46edb462c04.png" alt="img" /></p>
<p>在 Kubernetes 中部署 Java 程序时，这两种情况都很常见，表现出的症状也都是 OOM 关键字 + 重启。所以，当运维同学说程序因为 OOM 被杀死或重启的时候，我们一定要和运维同学一起去区分清楚，到底是哪一种情况，然后再对症处理。</p>
<p>对于情况 1，问题的原因往往不是 Java 堆内存不够，更可能是程序使用了太多的堆外内存，超过了内存限制。这个时候，调大 JVM 最大堆内存只会让问题更严重，因为堆内存是可以通过 GC 回收的。我们需要分析 Java 进程哪部分区域内存占用过大，是不是合理，以及是否可能存在内存泄露问题。Java 进程的内存占用除了堆之外，还包括</p>
<p>直接内存</p>
<p>元数据区</p>
<p>线程栈大小 Xss * 线程数</p>
<p>JIT 代码缓存</p>
<p>GC、编译器使用额外空间</p>
<p>……</p>
<p>我们可以使用 NMT 打印各部分区域大小，从而判断到底是哪部分内存区域占用了过多内存，或是可能有内存泄露问题：</p>
<pre><code>java -XX:NativeMemoryTracking=smmary/detail -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintNMTStatistics
</code></pre>
<p>如果你确认 OOM 是情况 2，那么我同样不建议直接调大堆内存的限制，防止之后再出现情况 1。我会更建议你把堆内存限制为容器内存限制的 50%~70%，预留出足够多的内存给堆外和 OS 核心。如果需要扩容堆内存的话，那么也需要同步扩容容器的内存 limit。此外，也需要通过 Heap Dump（你可以回顾下第 35 讲的相关内容）等手段来排查为什么堆内存占用会这么大，排除潜在的内存泄露的可能性。</p>
<h2>内存和 CPU 资源配置不适配容器的坑</h2>
<p>刚刚我们提到了，堆内存扩容需要结合容器内存 limit 同步进行。其实，我们更希望的是，Java 程序的堆内存配置能随着容器的资源配置，实现自动扩容或缩容，而不是写死 Xmx 和 Xms。这样一来，运维同学可以更方便地针对整个集群进行扩容或缩容。</p>
<p>对于 JDK&gt;8u191 的版本，我们可以设置下面这些 JVM 参数，来让 JVM 自动根据容器内存限制来设置堆内存用量。比如，下面配置相当于把 Xmx 和 Xms 都设置为了容器内存 limit 的 50%：</p>
<pre><code>XX:MaxRAMPercentage=50.0 -XX:InitialRAMPercentage=50.0 -XX:MinRAMPercentage=50.0
</code></pre>
<p>接下来，我们看看 CPU 资源配置不适配容器的坑，以及对应的解决方案。</p>
<p>对于 CPU 资源的使用，我们主要需要注意的是，代码中的各种组件甚至是 JVM 本身，会根据 CPU 数来配置并发数等重要参数指标，那么：</p>
<p>如果这个值因为 JVM 对容器的兼容性问题取到了 Kubernetes 工作节点的 CPU 数量，那么这个数量可能就不是 4 或 8，而是 128 以上，进而导致并发数过高。</p>
<p>对于 JDK&gt;8u191 的版本可能会对容器兼容性较好，但是其获取到的 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 其实是 request 的值而不是 limit 的值（比如我们设置 request 为 2、limit 为 8、CICompilerCount 和 ParallelGCThreads 可能只是 2），那么可能并发数就会过低，进而影响 JVM 的 GC 或编译性能。</p>
<p>所以，我的建议是：</p>
<p>第一，通过 -XX:+PrintFlagsFinal 开关，来确认 ActiveProcessorCount 是不是符合我们的期望，并且确认 CICompilerCount、ParallelGCThreads 等重要参数配置是否合理。</p>
<p>第二，直接设置 CPU 的 request 和 limit 一致，或是对于 JDK&gt;8u191 的版本可以通过 -XX:ActiveProcessorCount=xxx 直接把 ActiveProcessorCount 设置为容器的 CPU limit。</p>
<h2>Pod 重启以及重启后没有现场的坑</h2>
<p>除非宿主机有问题，否则虚拟机不太会自己重启或被重启，而 Kubernetes 中 Pod 的重启绝非小概率事件。在存活检测不通过、Pod 重新进行节点调度等情况下，Pod 都会进行重启。对于 Pod 的重启，我们需要关注两个问题。</p>
<p>第一个问题是，分析 Pod 为什么会重启。</p>
<p>其中，除了“程序因为 OOM 被杀进程的坑”这部分提到的 OOM 的问题之外，我们还需要关注存活检查不通过的情况。</p>
<p>Kubernetes 有 readinessProbe 和 livenessProbe 两个探针，前者用于检查应用是否已经启动完成，后者用于持续探活。一般而言，运维同学会配置这 2 个探针为一个健康检测的断点，如果健康检测访问一次需要消耗比较长的时间（比如涉及到存储或外部服务可用性检测），那么很可能可以通过 readinessProbe 的检查但不通过 livenessProbe 检查（毕竟我们通常会为 readinessProbe 设置比较长的超时时间，而对于 livenessProbe 则没有那么宽容）。此外，健康检测也可能会受到 Full GC 的干扰导致超时。所以，我们需要和运维同学一起确认 livenessProbe 的配置地址和超时时间设置是否合理，防止偶发的 livenessProbe 探活失败导致的 Pod 重启。</p>
<p>第二个问题是，要理解 Pod 和虚拟机不同。</p>
<p>虚拟机一般都是有状态的，即便部署在虚拟机内的 Java 程序重启了，我们始终能有现场。而对于 Pod 重启来说，则是新建一个 Pod，这就意味着老的 Pod 无法进入。因此，如果因为堆 OOM 问题导致重启，我们希望事后查看当时 OS 的一些日志或是在现场执行一些命令来分析问题，就不太可能了。</p>
<p>所以，我们需要想办法在 Pod 关闭之前尽可能保留现场，比如：</p>
<p>对于程序的应用日志、标准输出、GC 日志等可以直接挂载到持久卷，不要保存在容器内部。</p>
<p>对于程序的堆栈现场保留，可以配置 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath 在堆 OOM 的时候生成 Dump；还可以让 JVM 调用任一个 shell 脚本，通过脚本来保留线程栈等信息：</p>
<pre><code>-XX:OnOutOfMemoryError=saveinfo.sh
</code></pre>
<p>对于容器的现场保留，可以让运维配置 preStop 钩子，在 Pod 关闭之前把必要的信息上传到持久卷或云上。</p>
<h2>重点回顾</h2>
<p>今天，我们探讨了 Java 应用部署到 Kubernetes 集群会遇到的 4 类问题。</p>
<p>第一类问题是，我们需要理解应用的 IP 会动态变化，因此要在设计上解除对 Pod IP 的强依赖，使用依赖服务发现来定位到应用。</p>
<p>第二类问题是，在出现 OOM 问题的时候，首先要区分 OOM 的原因来自 Java 进程层面还是容器层面。如果是容器层面的话，我们还需要进一步分析到底是哪个内存区域占用了过多内存，定位到问题后再根据容器资源设置合理的 JVM 参数或进行资源扩容。</p>
<p>第三类问题是，需要确保程序使用的内存和 CPU 资源匹配容器的资源限制，既要确保程序所“看”到的主机资源信息是容器本身的而不是物理机的，又要确保程序能尽可能随着容器扩容而扩容其资源限制。</p>
<p>第四类问题是，我们需要重点关注程序非发布期重启的问题，并且针对 Pod 的重启问题做好现场保留的准备工作，排除资源配置不合理、存活检查不通过等可能性，以避免因为程序频繁重启导致的偶发性能问题或可用性问题。</p>
<p>只有解决了这些隐患，才能让 Kubernetes 集群更好地发挥作用。</p>
<h2>思考与讨论</h2>
<p>在你的工作中，还遇到过 Java+Kubernetes 中的其他坑吗？</p>
<p>我是朱晔，欢迎在评论区与我留言分享，也欢迎你把今天的内容分享给你的朋友或同事，一起交流。</p>
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var ca = document.cookie.split(';');
for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
var c = ca[i].trim();
if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
}
return "";
}
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</html>
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