容器中的JVM資源該如何被安全的限制？
前言
Java與Docker的結合，雖然更好的解決了application的封裝問題。但也存在著不相容，比如Java並不能自動的發現Docker設定的記憶體限制，CPU限制。
這將導致JVM不能穩定服務業務！容器會殺死你JVM程序，而健康檢查又將拉起你的JVM程序，進而導致你監控你的Pod一天重啟次數甚至能達到幾百次。
我們希望當Java程序執行在容器中時，Java能夠自動識別到容器限制，獲取到正確的記憶體和CPU資訊，而不用每次都需要在kubernetes的yaml描述檔案中顯示的配置完容器，還需要配置JVM引數。
使用JVM MaxRAM引數或者解鎖實驗特性的JVM引數，升級JDK到10+，我們可以解決這個問題（也許吧~.~）。
首先Docker容器本質是是宿主機上的一個程序，它與宿主機共享一個/proc目錄，也就是說我們在容器內看到的/proc/meminfo，/proc/cpuinfo與直接在宿主機上看到的一致，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
那麼Java是如何獲取到Host的記憶體資訊的呢？沒錯就是通過/proc/meminfo來獲取到的。
預設情況下，JVM的Max Heap Size是系統記憶體的1/4，假如我們系統是8G，那麼JVM將的預設Heap≈2G。
Docker通過CGroups完成的是對記憶體的限制，而/proc目錄是已只讀形式掛載到容器中的，由於預設情況下Java壓根就看不見CGroups的限制的記憶體大小，而預設使用/proc/meminfo中的資訊作為記憶體資訊進行啟動，
這種不相容情況會導致，如果容器分配的記憶體小於JVM的記憶體，JVM程序會被理解殺死。
記憶體限制不相容
我們首先來看一組測試，這裡我們採用一臺記憶體為188G的物理機。
#free -g totalusedfreesharedbuff/cacheavailable Mem:188122106464
以下的測試中，我們將包含OpenJDK的hotspot虛擬機器，IBM的OpenJ9虛擬機器。
以下測試中，我們把正確識別到限制的JDK，稱之為安全（即不會超出容器限制不會被kill），反之稱之為危險。
測試用例1（OpenJDK）
這一組測試我們使用最新的OpenJDK8-12，給容器限制記憶體為4G，看JDK預設引數下的最大堆為多少？看看我們預設引數下多少版本的JDK是安全的
命令如下，如果你也想試試看，可以用一下命令。
docker run -m 4GB--rmopenjdk:8-jre-slim java-XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmopenjdk:9-jre-slim java-XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmopenjdk:10-jre-slim java -XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmopenjdk:11-jre-slim java -XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmopenjdk:12 java -XshowSettings:vm-version
OpenJDK8（並沒有識別容器限制，26.67G） 危險。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmopenjdk: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 （正確的識別容器限制，910.50M）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmopenjdk:8-jre-slim java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -XshowSettings:vm-version 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（並沒有識別容器限制，26.67G）危險。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmopenjdk: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（正確的識別容器限制，1G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmopenjdk:9-jre-slim java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 1.00G 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（正確的識別容器限制，1G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 32GB --rmopenjdk:10-jre-slim java -XshowSettings:vm -XX:MaxRAMFraction=1-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 1.00G Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM openjdk version "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（正確的識別容器限制，1G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmopenjdk:11-jre-slim java -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 1.00G Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM openjdk version "11.0.1" 2018-10-16 OpenJDK Runtime Environment (build 11.0.1+13-Debian-3) OpenJDK 64-Bit Server VM (build 11.0.1+13-Debian-3, mixed mode, sharing)
OpenJDK 12（正確的識別容器限制，1G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmopenjdk:12 java -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 1.00G Using VM: OpenJDK 64-Bit Server VM openjdk version "12-ea" 2019-03-19 OpenJDK Runtime Environment (build 12-ea+23) OpenJDK 64-Bit Server VM (build 12-ea+23, mixed mode, sharing)
測試用例2（IBM OpenJ9）
docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk8-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk9-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk10-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk11-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version
OpenJDK8-OpenJ9（正確的識別容器限制，3G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk8-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 3.00G Ergonomics Machine Class: server Using VM: Eclipse OpenJ9 VM openjdk version "1.8.0_192" OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_192-b12_openj9) Eclipse OpenJ9 VM (build openj9-0.11.0, JRE 1.8.0 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20181107_95 (JIT enabled, AOT enabled) OpenJ9- 090ff9dcd OMR- ea548a66 JCL- b5a3affe73 based on jdk8u192-b12)
OpenJDK9-OpenJ9 （正確的識別容器限制，3G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk9-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 3.00G 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 （正確的識別容器限制，3G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk10-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 3.00G 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（正確的識別容器限制，3G）安全。
[root@xiaoke-test ~]# docker run -m 4GB --rmadoptopenjdk/openjdk11-openj9:alpine-slimjava -XshowSettings:vm-version VM settings: Max. Heap Size (Estimated): 3.00G Using VM: Eclipse OpenJ9 VM openjdk version "11.0.1" 2018-10-16 OpenJDK Runtime Environment AdoptOpenJDK (build 11.0.1+13) Eclipse OpenJ9 VM AdoptOpenJDK (build openj9-0.11.0, JRE 11 Linux amd64-64-Bit Compressed References 20181020_70 (JIT enabled, AOT enabled) OpenJ9- 090ff9dc OMR- ea548a66 JCL- f62696f378 based on jdk-11.0.1+13)
分析
分析之前我們先了解這麼一個情況：
JavaMemory (MaxRAM) = 元資料+執行緒+程式碼快取+OffHeap+Heap...
一般我們都只配置Heap即使用-Xmx來指定JVM可使用的最大堆。而JVM預設會使用它獲取到的最大記憶體的1/4作為堆的原因也是如此。
安全性（即不會超過容器限制被容器kill）
OpenJDK：
OpenJdk8-12，都能保證這個安全性的特點（8和9需要特殊引數，-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap）。
OpenJ9：
2.IbmOpenJ9所有的版本都能識別到容器限制。
資源利用率
OpenJDK：
自動識別到容器限制後，OpenJDK把最大堆設定為了大概容器記憶體的1/4，對記憶體的浪費不可謂不大。
當然可以配合另一個JVM引數來配置最大堆。-XX:MaxRAMFraction=int。下面是我整理的一個常見記憶體設定的表格，從中我們可以看到似乎JVM預設的最大堆的取值為MaxRAMFraction=4，隨著記憶體的增加，堆的閒置空間越來越大，在16G容器記憶體時，Java堆只有不到4G。
MaxRAMFraction取值 堆佔比 容器記憶體=1G 容器記憶體=2G 容器記憶體=4G 容器記憶體=8G 容器記憶體=16G 1≈90%910.50M 1.78G3.56G7.11G14.22G 2≈50%455.50M 910.50M 1.78G3.56G7.11G 3≈33%304.00M 608.00M 1.19G2.37G4.74G 4≈25%228.00M 455.50M 910.50M 1.78G3.56G
OpenJ9：
關於OpenJ9的的詳細介紹你可以從這裡 瞭解更多。
對於記憶體利用率OpenJ9的策略是優於OpenJDK的。以下是OpenJ9的策略表格.
容器記憶體<size>最大Java堆大小 小於1 GB50％<size> 1 GB - 2 GB <size> - 512 MB 大於2 GB大於2 GB
結論
注意：這裡我們說的是容器記憶體限制，和物理機記憶體不同。
自動檔
如果你想要的是，不顯示的指定-Xmx，讓Java程序自動的發現容器限制。
如果你想要的是JVM程序在容器中安全穩定的執行，不被容器kiil，並且你的JDK版本小於10（大於等於JDK10的版本不需要設定，參考前面的測試）。
你需要額外設定JVM引數-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap，即可保證你的Java程序不會因為記憶體問題被容器Kill。
當然這個方式使用起來簡單，可靠，缺點也很明顯，資源利用率過低（參考前面的表格MaxRAMFraction=4）。
如果想在基礎上我還想提高一些記憶體資源利用率，並且容器記憶體為1GB - 4GB，我建議你設定-XX:MaxRAMFraction=2，在大於8G的可以嘗試設定-XX:MaxRAMFraction=1（參考上表格）。
手動擋
如果你想要的是手動擋的體驗，更加進一步的利用記憶體資源，那麼你可能需要回到手動配置時代-Xmx。
手動擋部分，請可以完全忽略上面我的BB。
上面我們說到了自動擋的配置，用起來很簡單很舒服，自動發現容器限制，無需擔心和思考去配置-Xmx。
比如你有記憶體1G那麼我建議你的-Xmx750M，2G建議配置-Xmx1700M，4G建議配置-Xmx3500-3700M，8G建議設定-Xmx7500-7600M，總之就是至少保留300M以上的記憶體留給JVM的其他記憶體。如果堆特別大，可以預留到1G甚至2G。
手動擋用起來就沒有那麼舒服了，當然資源利用率相對而言就更高了。