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【深度】高密度Java应用部署的一些实践

2014-08-21 18:15 李三红

传统的Java应用部署模式,一般遵循“硬件->操作系统->JVM->Java应用”这种自底向上的部署结构,其中JEE应用可以细化为“硬件->操作系统->JVM->JEE容器->JEE应用”的部署结构。这种部署结构往往比较重,操作系统、JVM和JEE容器造成的overhead很高,而很多时候一个Java应用并不需要跑满整个硬件的资源,导致这种模式的资源利用率是比较低的。


而另一方面,硬件虚拟化技术逐渐成熟:VMware Hypervisor、Xen、KVM、Power LPAR等技术能够帮助我们在同一个硬件上部署多个操作系统实例,而时下流行的OS Container技术如LXC、Docker等,则是把操作系统虚拟化为多个实例,实现更轻量级的虚拟化。无论哪个层面的虚拟化,其目的都是对资源利用率更加高效的追求,从而成为如今构建云计算平台底层架构的基础技术。


Java应用也可以通过同样的思路来实现高密度的部署。JVM虚拟化是比OS虚拟化更高一层的做法,可以更大程度的提高资源利用率,降低平均应用的部署成本。本文将介绍Multi-tenant JVM这一方案实现高密度Java应用部署的一些特点和思路。

背景介绍


早在2004年,Sun公司就提出过Java应用虚拟化这方面的想法。当时Grzegorz Czajkowski领导了一个叫做巴塞罗那的研究项目,该项目基于Java HotSpot虚拟1.5版本开发了Multi-Tasking Virtual Machine(MVM)。MVM的目的旨在提高Java程序的启动速度,节省内存开销。不过自从Sun被甲骨文收购后,我们没有听到关于该项目的任何新的进展。


尽管我们没有看到MVM成功产品化,不过它却留下两个JSR规范:JSR121和JSR284。对于JSR284,目前在java.net上有一个实现它的孵化项目。


从2009年开始,我所在的IBM Java团队开始研究Java应用的SaaS化方案,即让一个应用实例服务于多个租户。为了保证多个租户在使用同一个应用实例时候数据的隔离,该方案在应用这个层面做了一些Bytecode Instrument(BCI)的工作,主要通过改写getstatic/putstatic使每个租户有独立的类的静态数据拷贝而没有相互影响。但是,该方案在Bytecode层面更改带来的额外性能开销, 以及Java Reflection等访问带来的安全性/正确性的问题。 而且,除了数据上的隔离,也需要针对关键性的资源譬如CPU、Heap、IO等资源的使用进行管理,于是该方案下沉到了JVM层面,形成现在的多租户JVM(Multi-tenant JVM)方案。


Multi-tenant JVM是JVM层面的虚拟化,其思路是把多个Java应用部署在同一个JVM上,让这些应用共享底层的GC、JIT、Java运行时库等基础组件。除了IBM的团队之外,爱尔兰的Waratek公司也实现了多租户的JVM。和IBM Multi-tenant JVM类似,Waratek允许多个应用运行在同一个CloudVM上,每一个应用运行在一个叫Java Virtual Container(JVC)的容器里。从现有公开的资料开看,IBM Multi-tenant JVM是基于Java 7的,而Waratek是基于Java 6的,两者支持的CPU架构和平台也有所不同。


此外,JEE方面在两年前也有讨论计划增加对PaaS和多租户的支持,这项提议旨在定义PaaS环境下如何使得JEE应用支持多租户,保证不同租户在使用这些应用时相互隔离,以及资源方面的管理(如JMS资源),不过该项提议已经推迟到JEE 8。


除了提升部署密度之外,多租户的另一项好处在于应用启动的加速。快速的程序启动受益于不同的应用共享同一个JVM,我们称之为javad。Java核心的类库在javad运行后,不再需要被重新装载和定义。你也许可以用Nailgun来加速你的启动时间,但Nailgun的问题是没有安全的数据隔离,这包括类的静态数据以及Java属性值,而且Nailgun在易用性等方面也不如Multi-tenent JVM。


多租户JVM的实现思路


跟传统JVM相比,多租户JVM的主要工作围绕隔离而进行,其针对JVM/JDK的改动主要实现三个方面的目标:

  • 租户之间的数据隔离

  • Java类库支持多租户语境

  • 资源管理隔离


租户之间的数据隔离


让每个租户应用拥有独立的类静态数据拷贝,这个目标主要通过修改getstatic/putstatic字节码指令实现。


Java类库支持多租户语境


这部分主要通过改造类库实现


资源管理隔离


这是Multi-tenant JVM很重要的功能。在Multi-tenant JVM上,Heap/CPU/Disk IO/Net IO这些资源的使用是受资源策略保护的,比如你可以去限制某个租户它的CPU最少可以使用20%,而在系统空闲时,最大可以用到100%。


Multi-tenant JVM通过Token Bucket来对IO(Disk/Net)和CPU资源进行管理。对于IO而言,Multi-tenant JVM截获IO有关的OS API调用,使得IO发生之前受制于我们预先规定的资源策略。


关于对CPU管理,Multi-tenant JVM实现的基本的思路是,把租户线程所花费的CPU时间量化为Tokens,运行时每一个租户线程都会被周期性检查是否其当前CPU时间的使用超过了给它设定的限制。如果超过,当前线程会被挂起,直到满足限制为止。周期性检查的代码是由Multi-tenant JVM插入到租户线程里去的,对于用户程序而言完全是透明的。


Multi-tenant JVM对于Heap的管理建立在Balanced GC Policy基础之上。同一般的Java程序类似,你可以使用-Xms/-Xmx为租户程序设定最大/最小的堆内存值。Balanced GC Policy基于Region对Heap进行管理,每个租户程序根据-Xms/-Xmx的设定来为其分配Region,而租户对象的分配也必然只能发生在它自己拥有的区域内。


多租户JVM的用法与限制


IBM发布的Java 7 R1默认支持多租户JVM,在命令行上添加-Xmt参数即可启用。由于多租户JVM对JVM的变更,JNI Native Libraries、JVMTI以及GUI programs在多租户状态下的使用是受限制的。Multi-tenant JVM并未实现对JNI的隔离,所以不同的租户应用不能装载依赖同样的JNI Native Lib,所有发生在JNI Native Lib里的IO,不会受限于该租户资源消费策略。同样的情况适用于CPU以及Memory。


Multi-tenant JVM目前没有实现对JVMTI Agent的改造用以支持我们前面所描述的静态数据的隔离,这可能会对用户如果想调试Java核心类库代码(不是用户代码)造成困扰。


关于GUI,Multi-tenant JVM没有实现底层对于UI程序消息队列的隔离,所以不支持在同一个Multi-tenant JVM运行大于1个的GUI程序。


还有一点,不要在非Daemon线程里写 “暴力”的死循环代码。


最后需要注意的是,当开启IO资源控制时,尽量一次写出更多的字节,避免影响程序的IO性能。


总结


Multi-tenant JVM目前在应用启动时间和更小的内存占用开销方面已经被证实有效。根据目前的一些基准测试结果来看,对于简单的应用,相较于一般JVM,Multi-tenant JVM可以获得5~6倍的运行个数。后续计划发布的版本仍然会集中在提高启动时间、更小的内存开销这两个方面,也会陆续有一些性能的报告发布。


长远来看,Multi-tenant JVM会基于用户、IBM产品线以及技术社区等的反馈,做进一步的提高,以及解决一些目前所存在的局限性,比如对于JNI隔离的支持,JVMTi的多租户支持等等。


示例代码和详细内容请点击“阅读原文”。


 
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