@levinzhang 2023-01-20T09:34:51.000000Z 字数 9990 阅读 354

使用GraalVM和虚拟线程实现Kubernetes上的原生Java

摘要

原生编译（GraalVM）和虚拟线程（Loom项目）可能是Java领域最热门的话题。它们提升了应用的整体性能，包括内存使用和启动时间。长期以来，启动时间和内存使用一直是Java的一个大问题，所以业界对原生镜像或虚拟线程的期望很高。在本文中，我们将会学习如何使用虚拟线程，基于GraalVM构建原生镜像，并将这样的Java应用运行在Kubernetes上

本文最初发表于作者的个人博客网站，经原作者Piotr Mińkowski授权，由InfoQ中文站翻译分享。

在本文中，我们将会学习如何使用虚拟线程，基于GraalVM构建原生镜像，并将这样的Java应用运行在Kubernetes上。当前，原生编译（GraalVM）和虚拟线程（Loom项目）可能是Java领域最热门的话题。它们提升了应用的整体性能，包括内存使用和启动时间。长期以来，启动时间和内存使用一直是Java的一个大问题，所以业界对原生镜像或虚拟线程的期望很高。

当然，我们通常会在微服务或Serverless应用的场景中考虑此类性能问题。它们不应该消耗太多的操作系统资源，并且应该能够自动扩展。在Kubernetes上，我们可以很容易地控制资源的使用。如果你对Java虚拟线程感兴趣的话，请参阅我之前写的关于如何使用虚拟线程创建HTTP服务器的文章。关于如何在Kubernetes上，使用Knative运行Serverless应用的细节，请参阅该文。

简介

我们看一下本文的学习计划。第一步，我们会创建一个简单的Java web应用，它会使用虚拟线程来处理传入的HTTP请求。在运行样例应用之前，我们会在Kubernetes上安装Knative，以便于快速测试基于HTTP流量的自动扩展。我们还会在Kubernetes上安装Prometheus。这个监控技术栈能够让我们对比在Kubernetes上有/无GraalVM和虚拟线程时运行应用的性能。然后，我们就可以进行部署了。为了方便在Kubernetes上构建和运行原生应用，我们会使用Cloud Native Buildpacks。最后，我们会执行一些负载测试并对比度量指标。

源码

如果你想自己尝试的话，随时可以参阅我的源码。为此，你需要克隆我的GitHub仓库。完成之后，你就可以按照我的指南来执行了。

使用虚拟线程创建Java应用

在第一步中，我们会创建一个简单的Java应用，它会作为一个HTTP服务器，处理传入的请求。为了实现这一点，我们可以使用来自核心Java API的HttpServer。创建完服务器之后，我们可以使用setExecutor方法覆盖默认的线程执行器（executor）。最终，我们需要基于同一个应用，对比标准线程和虚拟线程的性能。因此，我们允许使用环境变量来覆盖执行器的类型。该环境变量的名称为THREAD_TYPE。如果想要启用虚拟线程的话，你需要将该环境变量的值设置为virtual。如下是我们应用的主方法。

public class MainApp {
   public static void main(String[] args) throws IOException {
      HttpServer httpServer = HttpServer
         .create(new InetSocketAddress(8080), 0);
      httpServer.createContext("/example", 
         new SimpleCPUConsumeHandler());
      if (System.getenv("THREAD_TYPE").equals("virtual")) {
         httpServer.setExecutor(
            Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor());
      } else {
         httpServer.setExecutor(Executors.newFixedThreadPool(200));
      }
      httpServer.start();
   }
}

为了处理传入的请求，HTTP服务器会使用实现了HttpHandler接口的处理器（handler）。在我们的样例中，该处理器是在SimpleCPUConsumeHandler类中实现的，如下所示。它会使用大量的CPU，因为它通过构造器创建了一个BigInteger实例，这在幕后会执行很多计算。这也会消耗一定的时间，所以我们在同一个步骤中对处理耗时进行了模拟。作为响应，我们会返回序列中的数字，并以Hello_作为前缀。

public class SimpleCPUConsumeHandler implements HttpHandler {
   Logger LOG = Logger.getLogger("handler");
   AtomicLong i = new AtomicLong();
   final Integer cpus = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
   @Override
   public void handle(HttpExchange exchange) throws IOException {
      new BigInteger(1000, 3, new Random());
      String response = "Hello_" + i.incrementAndGet();
      LOG.log(Level.INFO, "(CPU->{0}) {1}", 
         new Object[] {cpus, response});
      exchange.sendResponseHeaders(200, response.length());
      OutputStream os = exchange.getResponseBody();
      os.write(response.getBytes());
      os.close();
   }
}

为了使用Java 19提供的虚拟线程，我们需要在编译时启用预览模式。在使用Maven时，我们需要使用maven-compiler-plugin启用预览特性，如下所示。

<plugin>
  <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
  <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
  <version>3.10.1</version>
  <configuration>
    <release>19</release>
    <compilerArgs>
      --enable-preview
    </compilerArgs>
  </configuration>
</plugin>

在Kubernetes上安装Knative

在Kubernetes上运行原生应用并不需要这一步和下一步的步骤。我们将使用Knative，以便于根据传入的流量对应用进行自动扩展。在下一节中，我将会描述如何在Kubernetes上运行监控技术栈。

在Kubernetes上安装Knative的最简单方式是使用kubectl命令。我们只需要Knative Serving组件，并不需要任何额外的特性，也不会用到Knative CLI（kn）。我们将会使用Skaffold，基于YAML清单来部署应用。

首先，我们通过如下命令安装所需的自定义资源：

$ kubectl apply -f https://github.com/knative/serving/releases/download/knative-v1.8.3/serving-crds.yaml

然后，我们可以通过如下命令安装Knative Serving的核心组件：

$ kubectl apply -f https://github.com/knative/serving/releases/download/knative-v1.8.3/serving-core.yaml

为了在Kubernetes集群外部访问Knative服务，我们还需要安装网络层。默认情况下，Knative使用Kourier作为Ingress。我们可以通过如下命令安装Kourier控制器：

$ kubectl apply -f https://github.com/knative/net-kourier/releases/download/knative-v1.8.1/kourier.yaml

最后，我们通过如下的命令，配置Knative Serving来使用Kourier：

kubectl patch configmap/config-network \
  --namespace knative-serving \
  --type merge \
  --patch '{"data":{"ingress-class":"kourier.ingress.networking.knative.dev"}}'

如果你没有配置外部域名或者在本地集群中运行Knative，那么你需要配置DNS。否则，你必须在运行curl时带上主机头信息。Knative提供了一个Kubernetes Job，它会将sslip.io设置为默认DNS后缀。

$ kubectl apply -f https://github.com/knative/serving/releases/download/knative-v1.8.3/serving-default-domain.yaml

生成的URL会包含服务的名称、命名空间和Kubernetes集群的地址。因为我在本地Kubernetes集群的demo-sless命名空间运行服务，所以该服务可以在以下地址访问：

在部署样例应用到Knative之前，我们再做一些其他的工作。

在Kubernetes上安装Prometheus技术栈

正如我在前文所述，我们还可以在Kubernetes上安装监控技术栈。

最简单的安装方式是使用kube-prometheus-stack Helm chart。该包中包含了Prometheus和Grafana。它还包含了所有需要的规则和仪表盘，以便于可视化Kubernetes集群的基本度量指标。首先，我们添加包含该chart的Helm仓库：

$ helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts

然后，我们使用如下的命令安装位于prometheus命名空间中的kube-prometheus-stack Helm chart：

$ helm install prometheus-stack prometheus-community/kube-prometheus-stack  \
    -n prometheus \
    --create-namespace

如果一切正常的话，我们会看到类似于如下所示的Kubernetes服务：

$ kubectl get svc -n prometheus
NAME                                        TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)                      AGE
alertmanager-operated                       ClusterIP   None             <none>        9093/TCP,9094/TCP,9094/UDP   11s
prometheus-operated                         ClusterIP   None             <none>        9090/TCP                     10s
prometheus-stack-grafana                    ClusterIP   10.96.218.142    <none>        80/TCP                       23s
prometheus-stack-kube-prom-alertmanager     ClusterIP   10.105.10.183    <none>        9093/TCP                     23s
prometheus-stack-kube-prom-operator         ClusterIP   10.98.190.230    <none>        443/TCP                      23s
prometheus-stack-kube-prom-prometheus       ClusterIP   10.111.158.146   <none>        9090/TCP                     23s
prometheus-stack-kube-state-metrics         ClusterIP   10.100.111.196   <none>        8080/TCP                     23s
prometheus-stack-prometheus-node-exporter   ClusterIP   10.102.39.238    <none>        9100/TCP                     23s

我们将会分析Grafana仪表盘中的CPU和内存统计数据。为此，我们可以启用port-forward，以便于在本地预定义的端口访问它，例如使用9080端口：

$ kubectl port-forward svc/prometheus-stack-grafana 9080:80 -n prometheus

Grafana的默认用户名和密码分别为admin和prom-operator。

运行环境
我自己使用的是Docker Desktop自带的本地Kubernetes来完成该练习。它并没有提供任何简化方式来运行Prometheus和Knative。但是，你可以使用任意其他的Kubernetes发行版。比如，在OpenShift中，借助它所提供的operator支持，我们可以在UI仪表盘上一键完成安装过程。

我们将会在自定义Grafana仪表盘中创建两个面板。第一个面板会展示demo-sless命名空间中每个Pod的内存使用情况。

sum(container_memory_working_set_bytes{namespace="demo-sless"} / (1024 * 1024)) by (pod)

第二个面板将显示demo-sless命名空间中每个Pod的平均内存使用情况。你可以基于GitHub仓库的k8s/grafana-dasboards.json文件直接将它们导入Grafana中。

rate(container_cpu_usage_seconds_total{namespace="demo-sless"}[3m])

Prometheus Staleness
默认情况下，如果没有新的返回值的话，Prometheus会将不带时间戳的度量保存5分钟。例如，如果Pod被杀死的话，你会看到5分钟内的内存和CPU使用率的度量。要改变这种行为，在安装kube-prometheus-stack chart时，可以设置prometheus.prometheusSpec.query.lookbackDelta的值，比如将其设置为1m。

构建和部署原生Java应用

我们已经创建完了示例应用并配置了Kubernetes环境。现在，我们可以进入部署阶段了。在这里，我们的目标是尽可能简化构建原生镜像和在Kubernetes上运行的过程。因此，我们会使用Cloud Native Buildpacks和Skaffold。有了Buildpacks之后，除了Docker，我们不需要在本地笔记本上安装任何东西。Skaffold可以很容易地与Buildpacks集成，使得在Kubernetes上构建和运行应用的整个过程实现自动化。你只需要在机器上安装skaffold CLI即可。

要构建Java应用的原生镜像，我们可以使用Paketo Buildpacks。它为GraalVM提供了一个专门的buildpack，叫做Paketo GraalVM Buildpack。我们应该在配置中通过paketo-buildpacks/graalvm名称来包含它。因为Skaffold支持Buildpack，我们应该在skaffold.yaml文件中设置所有的属性。此外，我们还需要使用环境变量覆盖一些默认配置。首先，我们需要将Java版本设置为19，并启用预览特性（虚拟线程）。Kubernetes部署清单可以在k8s/deployment.yaml路径找到。

apiVersion: skaffold/v2beta29
kind: Config
metadata:
  name: sample-java-concurrency
build:
  artifacts:
  - image: piomin/sample-java-concurrency
    buildpacks:
      builder: paketobuildpacks/builder:base
      buildpacks:
        - paketo-buildpacks/graalvm
        - paketo-buildpacks/java-native-image
      env:
        - BP_NATIVE_IMAGE=true
        - BP_JVM_VERSION=19
        - BP_NATIVE_IMAGE_BUILD_ARGUMENTS=--enable-preview
  local:
    push: true
deploy:
  kubectl:
    manifests:
    - k8s/deployment.yaml

Knative不仅简化了自动扩展，而且还简化了Kubernetes清单。下面是示例应用的清单，可以在k8s/deployment.yaml文件中找到。我们需要定义一个包含应用容器详情的Service对象，并将自动扩展的目标从默认的200个并发请求改为80个。这意味着，如果应用的单个实例同时处理80个请求，Knative就会创建该应用的新实例（确切的说，是Pod）。为了给我们的应用启用虚拟线程，需要将环境变量THREAD_TYPE设置为virtual。

apiVersion: serving.knative.dev/v1
kind: Service
metadata:
  name: sample-java-concurrency
spec:
  template:
    metadata:
      annotations:
        autoscaling.knative.dev/target: "80"
    spec:
      containers:
        - name: sample-java-concurrency
          image: piomin/sample-java-concurrency
          ports:
            - containerPort: 8080
          env:
            - name: THREAD_TYPE
              value: virtual
            - name: JAVA_TOOL_OPTIONS
              value: --enable-preview

假设已经安装了Skaffold，你唯一需要做的就是运行如下命令：

$ skaffold run -n demo-sless

你也可以直接从我的Docker Hub注册中心部署一个准备就绪的镜像。但是，在这种情况下，你需要将deployment.yaml清单中的镜像标签修改为virtual-native。

运行非原生应用
借助SkaffoldPak和eto Buildpacks，你也可以基于我的仓库构建和部署非原生应用。只需要在Skaffold配置文件中，使用paketo-buildpacks/java buildpack替换paketo-buildpacks/graalvm即可。

负载测试

我们会运行三个测试场景。在第一个场景中，我们将会测试标准编译和大小为100的标准线程池。在第二个场景中，我们将会测试使用虚拟线程的标准编译。最后一个场景会检查原生编译和虚拟场景。在所有的场景中，我们都会设置相同的自动扩展目标，即80个并发请求。我会使用k6工具进行负载测试。每个测试场景包含四个步骤，每个步骤持续两分钟。在第一步中，我们模拟50个用户。

$ k6 run -u 50 -d 120s k6-test.js

然后，我们要模拟100个用户。

$ k6 run -u 100 -d 120s k6-test.js

最后，我们要为200个用户测试两次。因此，一共会有四次测试，分别是50、100、200和200个用户，共耗时8分钟。

$ k6 run -u 200 -d 120s k6-test.js

我们来验证一下结果。如下是使用JavaScript为k6工具编写的测试。

import http from 'k6/http';
import { check } from 'k6';
export default function () {
  const res = http.get(`http://sample-java-concurrency.demo-sless.127.0.0.1.sslip.io/example`);
  check(res, {
    'is status 200': (res) => res.status === 200,
    'body size is > 0': (r) => r.body.length > 0,
  });
}

标准编译和标准线程的测试

下面展示了测试场景的每个阶段中的内存使用情况。在模拟200个用户之后，Knative扩展了实例的数量。理论上，在100个用户的测试时，它就应该这样做。但是，Knative会根据Pod中sideecar容器来测量传入的流量。第一个实例的内存使用大约是900MB（包含sidecar容器的使用量）。

如下是一个类似的视图，只不过反映的是CPU的使用情况。最高的消耗量是在自动扩展发生之前，大约是1.2个内核。然后，根据所使用的实例数量的不同，范围从大约0.4到0.7个内核。正如我在前文所述，我们使用一个比较耗时的BigInteger构造器来模拟负载下的CPU使用。

如下是50个用户的测试结果。该应用能够在2分钟内处理大约10.5万个请求。最长的处理时间约为3秒钟。

如下是100个用户的测试结果。该应用能够在2分钟内处理大约13万个请求，平均响应时间为90毫秒。

最后，我们看一下200个用户的测试结果。应用能够在2分钟内处理大约13.5万个请求，平均响应时间为175毫秒。故障阈值在0.02%左右。

标准编译和虚拟线程的测试

与上一节类似，下面展示了测试场景的每个阶段中的内存使用情况。在模拟100个用户之后，Knative扩展了实例的数量。理论上，在200个用户的测试时，它应该运行第三个实例。第一个实例的内存使用大约是850MB（包含sidecar容器的使用量）。

如下是一个类似的视图，只不过反映的是CPU的使用情况。最高的消耗量是在自动扩展发生之前，大约是1.1个内核。然后，根据所使用的实例数量的不同，范围从大约0.3到0.7个内核。

如下是50个用户的测试结果。该应用能够在2分钟内处理大约10.5万个请求。最长的处理时间约为2.2秒钟。

如下是100个用户的测试结果。该应用能够在2分钟内处理大约11.5万个请求，平均响应时间为100毫秒。

最后，我们看一下200个用户的测试结果。应用能够在2分钟内处理大约13.5万个请求，平均响应时间为180毫秒。故障阈值在0.02%左右。

原生编译和虚拟线程的测试

与上一节类似，下面展示了测试场景的每个阶段中的内存使用情况。在模拟100个用户之后，Knative扩展了实例的数量。理论上，在200个用户的测试时，它应该运行第三个实例（图中第三个Pod实际上在一段时间内处于Terminating阶段）。第一个实例的内存使用大约是50MB。

如下是一个类似的视图，只不过反映的是CPU的使用情况。最高的消耗量是在自动扩展发生之前，大约是1.3个内核。然后，根据所使用的实例数量的不同，范围从大约0.3到0.9个内核。

如下是50个用户的测试结果。该应用能够在2分钟内处理大约7.5万个请求。最长的处理时间约为2秒钟。

如下是100个用户的测试结果。该应用能够在2分钟内处理大约8.5万个请求，平均响应时间为140毫秒。

最后，我们看一下200个用户的测试结果。应用能够在2分钟内处理大约10万个请求，平均响应时间为200毫秒。另外，在第二次200个用户的测试中，没有出现故障。

总结

在本文中，我试图在Kubernetes上对基于GraalVM原生编译和虚拟线程的Java应用与标准方式进行了对比。在运行完上述的所有测试后，我们可以得出如下结论。

在资源使用和请求处理方面，标准线程和虚拟线程并没有太大的差异。虚拟线程的资源使用率略低。另一方面，标准线程的处理时间略低。但是，如果我们的处理方法需要更多的时间，那么这个比例会更加有利于虚拟线程。
自动扩展对虚拟线程更加友好。但是，原因尚不明确。总之，对于虚拟线程来说，当目标设置为80时，如果100个并发，实例就会扩展，但是标准线程并没有这样做。当然，在设置自动扩展目标时，虚拟线程给了我们更高的灵活性。对于标准线程，我们必须选择低于线程池大小的值，而对于虚拟线程，我们可以设置任意合理的值。
原生编译会大幅度减少应用的内存使用。对于原生应用，它会是50MB，而不是900MB。但另一方面，原生应用的CPU消耗略高。
原生应用的处理速度比标准应用更慢一些。在所有的测试中，它比标准应用的请求数低30%。