優化 Kubernetes 中的 Java 無服務器函數

導讀：在 Kube.NETes 中運行無服務器函數時，實現更快的啟動速度和更小的內存占用。

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由于運行上千個應用程序容器莢(Pod)所耗費的資源多，令它實現較少工作節點和資源占用所需成本也較高，所以在使用 opensource.com 時，快速啟動和較少的內存占用是至關重要的。在 Kubernetes 平臺運行容器化微服務時，內存占用是比吞吐量更重要的考量因素，這是因為：

? 由于需要持續運行，所以耗費資源更多（不同于 CPU 占用）

? 微服務令開銷成本成倍增加

? 一個單體應用程序變為若干個微服務的情況（例如 20 個微服務占用的存儲空間約有 20GB）

這些情況極大影響了無服務器函數的發展和 JAVA 部署模型。到目前為止，許多企業開發人員選擇 Go、Python/ target=_blank class=infotextkey>Python 或 Node.js 這些替代方案來解決性能瓶頸，直到出現了 quarkus.io 這種基于 kubernetes 的原生 Java 堆棧，才有所改觀。本文介紹如何在使用了 Quarkus 的 kubernetes 平臺上進行性能優化，以便運行無服務器函數。

容器優先的設計理念

由于 Java 生態系統中傳統的框架都要進行框架的初始化，包括配置文件的處理、classpath的掃描、類加載、注解的處理以及構建元模型，這些過程都是必不可少的，所以它們都比較耗費資源。如果使用了幾種不同的框架，所耗費的資源也是成倍增加。

Quarkus 通過“左移(shifting left)”，把所有的資源開銷大的操作都轉移到構建階段，解決了這些 Java 性能問題。在構建階段進行代碼和框架分析、字節碼轉換和動態元模型生成，而且只有一次，結果是：運行時可執行文件經過高度優化，啟動非常快，不需要經過那些傳統的啟動過程，全過程只在構建階段執行一次。

Quarkus Build phase

更重要的是：Quarkus 支持構建原生可執行文件，它具有良好性能，包括快速啟動和極小的駐留集大小(resident set size)（RSS）內存占用，跟傳統的云原生 Java 棧相比，具備即時擴展的能力和高密度的內存利用。

Quarkus RSS and Boot Time Metrics

這里有個例子，展示如何使用 Quarkus 將一個 opensource.com 項目構建為本地可執行文件。

1、使用 Quarkus 創建無服務器 Maven 項目

以下命令生成一個 Quarkus 項目，（例如quarkus-serverless-native）以此創建一個簡單的函數：

$ mvn io.quarkus:quarkus-maven-plugin:1.13.4.Final:create
-DprojectGroupId=org.acme
-DprojectArtifactId=quarkus-serverless-native
-DclassName="org.acme.getting.started.GreetingResource"

2、構建一個本地可執行文件

你需要使用 GraalVM 為 Java 程序構建一個本地可執行文件。你可以選擇 GraalVM 的任何發行版，例如 www.graalvm.org 或 github.com（Oracle GraalVM CE 的下游發行版）。Mandrel 是為支持 OpenJDK 11 上的 Quarkus-native 可執行文件的構建而設計的。

打開pom.xml，你將發現其中的native設置。你將使用它來構建本地可執行文件。

native
native

注意：你可以在本地安裝 GraalVM 或 Mandrel 發行版。你也可以下載 Mandrel 容器映像來構建它（像我那樣），因此你還需要在本地運行一個容器引擎（例如 Docker）。

假設你已經打開了容器運行時，此時需要運行一下 Maven 命令：

使用 www.docker.com 作為容器引擎：

$ ./mvnw package -Pnative
-Dquarkus.native.container-build=true
-Dquarkus.native.container-runtime=docker

使用 podman.io 作為容器引擎：

$ ./mvnw package -Pnative
-Dquarkus.native.container-build=true
-Dquarkus.native.container-runtime=podman

輸出信息結尾應當是BUILD SUCCESS。

Native Build Logs

不借助 JVM 直接運行本地可執行文件：

$ target/quarkus-serverless-native-1.0.0-SNAPSHOT-runner

輸出信息類似于：

__ ____ __ _____ ___ __ ____ ______
--/ __ / / / / _ | / _ / //_/ / / / __/
-/ /_/ / /_/ / __ |/ , _/ ,< / /_/ /
--________/_/ |_/_/|_/_/|_|____/___/
INFO [io.quarkus] (main) quarkus-serverless-native 1.0.0-SNAPSHOT native
(powered by Quarkus xx.xx.xx.) Started in 0.019s. Listening on: http://0.0.0.0:8080
INFO [io.quarkus] (main) Profile prod activated.
INFO [io.quarkus] (main) Installed features: [cdi, kubernetes, resteasy]

簡直是超音速！啟動只花了 19 毫秒。你的運行時間可能稍有不同。

使用 linux 的ps工具檢測一下，結果內存占用還是很低。檢測的方法是：在應用程序運行期間，另外打開一個終端，運行如下命令：

$ ps -o pid,rss,command -p $(pgrep -f runner)

輸出結果類似于：

PID RSS COMMAND
10246 11360 target/quarkus-serverless-native-1.0.0-SNAPSHOT-runner

該進程只占 11MB 內存。非常小！

注意: 各種應用程序（包括 Quarkus）的駐留集大小和內存占用，都因運行環境而異，并隨著應用程序載入而上升。

你也可以使用 REST API 訪問這個函數。輸出結果應該是Hello RESTEasy:

$ curl localhost:8080/hello
Hello RESTEasy

3、把函數部署到 Knative 服務

如果你還沒有創建命名空間，現在就在 docs.okd.io（OpenShift Kubernetes 發行版） docs.okd.io（例如quarkus-serverless-native），進而把這個本地可執行文件部署為無服務器函數。然后添加quarkus-openshift擴展：

$ ./mvnw -q quarkus:add-extension -Dextensions="openshift"

向src/main/resources/Application.properties文件中添加以下內容，配置 Knative 和 Kubernetes 的相關資源：

quarkus.container-image.group=quarkus-serverless-native
quarkus.container-image.registry=image-registry.openshift-image-registry.svc:5000
quarkus.native.container-build=true
quarkus.kubernetes-client.trust-certs=true
quarkus.kubernetes.deployment-target=knative
quarkus.kubernetes.deploy=true
quarkus.openshift.build-strategy=docker

構建本地可執行文件，并把它直接部署到 OKD 集群：

$ ./mvnw clean package -Pnative

注意：提前使用 oc login 命令，確保登錄的是正確的項目（例如 quarkus-serverless-native）。

輸出信息結尾應當是BUILD SUCCESS。完成一個本地二進制文件的構建并部署為 Knative 服務需要花費幾分鐘。成功創建服務后，使用kubectl或oc命令工具，可以查看 Knative 服務和版本信息：

$ kubectl get ksvc
NAME URL [...]
quarkus-serverless-native http://quarkus-serverless-native-[...].SUBDOMAIN True
$ kubectl get rev
NAME CONFIG NAME K8S SERVICE NAME GENERATION READY REASON
quarkus-serverless-native-00001 quarkus-serverless-native quarkus-serverless-native-00001 1 True