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38 | 加餐8：Java程序从虚拟机迁移到Kubernetes的一些坑
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。
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。
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。
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”。
Pod IP不固定带来的坑
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。
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：
- 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。
- 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。
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。
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。
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。
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。
程序因为OOM被杀进程的坑
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。
- 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。
- 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。
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。
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
- 直接内存
- 元数据区
- 线程栈大小 Xss * 线程数
- JIT代码缓存
- GC、编译器使用额外空间
- ……
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：
java -XX:NativeMemoryTracking=smmary/detail -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintNMTStatistics
**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。
内存和CPU资源配置不适配容器的坑
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。
对于JDK>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%：
XX:MaxRAMPercentage=50.0 -XX:InitialRAMPercentage=50.0 -XX:MinRAMPercentage=50.0
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。
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：
-
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。
-
对于JDK>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。
所以，我的建议是： -
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。
-
第二，直接设置CPU的request和limit一致，或是对于JDK>8u191的版本可以通过-XX:ActiveProcessorCount=xxx直接把ActiveProcessorCount设置为容器的CPU limit。
Pod重启以及重启后没有现场的坑
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。
第一个问题是，分析Pod为什么会重启。
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。
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。
第二个问题是，要理解Pod和虚拟机不同。
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。
所以，我们需要想办法在Pod关闭之前尽可能保留现场，比如：
- 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。
- 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：
-XX:OnOutOfMemoryError=saveinfo.sh
- 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。
重点回顾
今天，我们探讨了Java应用部署到Kubernetes集群会遇到的4类问题。
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。
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。
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。
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。
只有解决了这些隐患，才能让Kubernetes集群更好地发挥作用。
思考与讨论
在你的工作中，还遇到过Java+Kubernetes中的其他坑吗？
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