无服务器和 Kubernetes 原生 Java 部署实践

作者 | Daniel Oh

译者 | 平川

策划 | 丁晓昀

随着云部署的兴起，IT 部门使用的物理服务器减少，用电量也相应降低，结果是通过减少碳排放帮助缓解了气候变化。云架构有助于实现这一点，因为它们不需要维护竖井式的计算资源，而是在需要保持业务服务运行时，高效共享所在云上的可用资源。

然而短期内，云迁移的这些好处对于二氧化碳的排放并没有产生显著的影响。这是因为采用云的速度比转向无碳基础设施的速度要快得多。例如，谷歌云目前已实现碳中和，但他们正在努力成为无碳、可持续的云计算系统。

与此同时，开发人员和架构师仍然在尽可能地优化应用程序的性能，缩小容器镜像，缩短启动和响应时间以及减少内存占用。他们相信，这最终能够减少应用层的计算消耗。

Java 不是为这个时代设计的

Java 诞生于 27 年前，用于运行业务服务。它有诸多优点，如较高的网络吞吐量、长期运行的进程和面向可变系统的动态行为。几十年前，这些都是很棒的特性，开发人员可以编写灵活、丰富的互联网应用，然后在多台应用服务器上运行。这些服务器位于由物理服务器和虚拟机组成的基础设施上。

然而，自从 Kubernetes 和 Linux 容器面世以来，事情发生了变化。它为我们提供了一种新的模式，让我们可以重构现有应用。在云上，我们应该将这些应用当作牛而非猫。新应用的主要特性是可移植、不可变及可快速扩展。

遗憾的是，Java 的动态特性在这个新时代并无多大优势。尽管如此，企业仍然维护着大量基于 Java 技术栈构建的关键业务应用程序，这可能成为将工作负载迁移到云平台的障碍。这也使企业失去了减少二氧化碳排放的机会，因为他们需要花不少钱来维持传统基础设施上的单体应用。

颇具讽刺意味的是，根据 TIOBE 排行榜，Java 仍然是第三大最受欢迎的编程语言。顺应这一趋势，出现了许多开源项目和工具，如 Shenandoah GC。它们试图从吞吐量管理方面优化 Java 的性能，通过扩展、临时状态及减少不可变系统的内存占用。遗憾的是，这些努力不足以说服开发人员将 Java 应用程序留在 Kubernetes 集群中，而不是采用 JavaScript 和 Python 等替代方案。

无服务器 Java

作为减少云计算资源的无尽努力的一部分，通过定期监控应用程序工作负载和资源使用情况，许多企业已经意识到，所有业务服务都不需要一直运行（例如 24 x 7 x 365）。

举例来说，某些服务（如订单服务）只有不足 10% 的时间被最终用户和第三方访问。在这种情况下，当应用程序在某段时间内（如 5 分钟或 30 秒）没有网络通信时，无服务器架构让你能够自动将应用程序缩减为零。

事实上，无服务器行为不仅可以应用于基于 HTTP 的微服务，还可以应用于来自物联网（IoT）边缘设备和 Kafka 消息服务器的分布式流服务。

作为一名 Java 开发人员，你会问：“Java 如何处理无服务器架构？”更大的问题是：“Java 适合开发无服务器应用程序吗？”根据 NewRelic 的调查，由于重量级的程序包和动态行为，开发人员通常不会在 AWS Lambda 上运行 Java 应用程序，如图 1 所示。

图 1：无服务器之爱

这就是为什么越来越多的开发人员希望将 Node.Js 和 Python 应用程序引入无服务器平台和函数即服务（Function as a Service，FaaS），而不是演进现有 Java 应用程序的原因。不要放弃你的 Java 技能！下一节将介绍如何使 Java 应用程序更适合于无服务器架构。

生而原生的 Java

构建一个原生可执行的 Java 应用程序不仅有巨大的好处，如启动和响应时间缩短、内存占用变小，而且还解决了传统 Java 技术栈中存在的上述挑战。让我们深入了解一下原生可执行文件的工作原理吧！原生可执行文件是使用预编译器（AOT）构建的。该编译器会生成一个独立的原生镜像，其中包含应用程序类、依赖库和运行时。你可以理解为和 Linux 容器镜像类似，包含了在任何容器运行时和 Kubernetes 上运行应用程序所需的所有东西。

有了原生可执行文件，就不再需要 Java 虚拟机（JVM）来运行 Java 应用程序了。相反，原生镜像可以运行在 Substrate VM 上，它是 GraalVM 中的运行时组件（如垃圾收集器、线程调度）。

另外，Java 原生编译使开发人员在无服务器工作负载中也继续坚持使用 Java 应用程序，因为原生可执行文件可以缩短冷启动的启动时间，而这原本是许多企业想要采用无服务器架构时面临的最大挑战之一。

下面是一份简单的教程，介绍如何安装必要的 C 语言库和依赖项，然后在你的操作系统上将 Java 应用程序编译成一个原生可执行的镜像。

安装 C 语言库

为了支持 C 语言原生编译，需要使用以下命令安装 GCC 和相关库：

• Fedora：

$ sudo dnf install gcc glibc-devel zlib-devel libstdc++-static

• Debian：

$ sudo apt-get install build-essential libz-dev zlib1g-dev

• macOS

$ xcode-select --install

要了解更多关于如何安装 GraalVM 的信息，请访问这个网站。

(https://github.com/graalvm/graalvm-ce-builds/releases)

配置 GraalVM

设置环境变量 GRAALVM_HOME：

• Linux

$ export GRAALVM_HOME=$HOME/Development/graalvm/

• macOS

$ export GRAALVM_HOME=$HOME/Development/graalvm/Contents/Home/

安装原生镜像工具：

${GRAALVM_HOME}/bin/gu install native-image

如果还没设置的话，请使用以下命令设置环境变量 JAVA_HOME：

$ export JAVA_HOME=${GRAALVM_HOME}

不过，生成原生镜像需要预先提供很多关于应用程序的信息。只有当一个类或方法被明确注册后，反射才会起作用。这就要求 Java 开发者在构建原生可执行镜像之前，对当前所有的应用程序进行转换，以便注册反射。

Kubernetes 原生 Java 入门：Quarkus

如果可以继续开发云原生微服务，而且不需要花太多时间处理反射，那么你是否只需要在部署到 Kubernetes 集群之前构建一个原生可执行镜像？我很确定，这对 Java 开发者来说是很好的。

Quarkus 是一个开源项目，旨在提供一个标准的 Java 技术栈，使 Java 开发者不仅可以在 OpenJDK 上构建容器优先的应用程序，还可以编译生成原生可执行文件，在 Kubernetes 集群上运行，从而获得以下好处：

• 将尽可能多的工作转移到构建阶段

• 最大限度地减少运行时依赖

• 最大限度地消除死代码

• 引入清晰的元数据契约

• 增强开发人员的体验（如 DEV UI、开发服务、命令行）。Quarkus 还提供了一个扩展，即 Funqy，其目的是针对 OpenShift 无服务器、Knative、AWS Lambda、Azure Functions 和谷歌云平台等无服务器平台编写可移植的无服务器函数。

下面是一份快速入门指南，介绍如何利用 Quarkus 新建一个使用了原生可执行编译的无服务器函数。

新建一个无服务器 Java 项目

搭建一个 Quarkus 项目，并使用 Quarkus 命令行工具创建一个函数：

$ quarkus create quarkus-serverless-example -x funqy-http

这个命令会帮你下载 Funqy 扩展，并启用 Quarkus Funqy 功能，其输出如下所示：

Creating an app (default project type, see --help).-----------selected extensions: - io.quarkus:quarkus-funqy-http
applying codestarts...  java  maven  quarkus  config-properties  dockerfiles  maven-wrapper  funqy-http-codestarts
-----------

Quarkus 项目成功创建到下面的目录里：

--> /Users/USERNAME/quarkus-serverless-example-----------

探究新创建的函数

进入项目的根目录，打开 src/main/java/org/acme 目录下的 MyFunctions.java 文件。其中默认生成了一个简单的函数方法 fun，可以返回问候信息。@Funq 注解使一般方法成为可以通过 RESTful API 访问的函数。

@Funqpublic String fun(FunInput input) {  return String.format("Hello %s!", input != null ? input.name : "Funqy");}

可以新增一个函数或在现有的函数中添加业务逻辑。这里，我们暂时保留默认代码。

构建并将原生可执行文件部署到 Kubernetes

Quarkus 提供了一个 OpenShift 扩展，用于构建应用程序并将其部署到 Kubernetes 集群上。执行以下 Quarkus 命令行来添加扩展：

$ cd quarkus-serverless-example$ quarkus ext add openshift

输出如下所示：

Looking for the newly published extensions in registry.quarkus.io

[SUCCESS] ✅  Extension io.quarkus:quarkus-openshift has been installed

在 src/main/resources 目录中的 application.properties 文件中添加以下用于 Kubernetes 部署的配置。需要将 YOUR_NAMESPACE 替换为实际部署该功能的命名空间（例如 doh-dev）。

quarkus.container-image.group=YOUR_NAMESPACEquarkus.container-image.registry=image-registry.openshift-image-registry.svc:5000quarkus.kubernetes-client.trust-certs=truequarkus.kubernetes.deployment-target=knativequarkus.kubernetes.deploy=truequarkus.openshift.build-strategy=dockerquarkus.openshift.expose=true

也可以使用容器运行时（如 Docker 或 Podman）构建一个原生可执行镜像，只要添加以下配置：quarkus.native.container-build=true

请注意，这里(https://github.com/danieloh30/quarkus-serverless-infoq-example)有解决方案库。

为了部署该函数，你可以使用自己的 Kubernetes 集群（例如 minikube），但我建议使用红帽 OpenShift 开发者沙盒。你只要注册一个免费账户，它会提供一个共享 Kubernetes 集群。该沙盒使你能够在 10 分钟内启动一个新的 Kubernetes 集群，无需在本地文件系统上进行任何安装或配置。

执行以下 Quarkus 命令行，构建并部署函数到 Kubernetes 集群：

$ quarkus build --native --no-tests

输出应该以 BUILD SUCCESS 消息结束。

进入 OpenShift 开发控制台的 Topology 视图，可以看到 Java 函数（quarkus-serverless-example-00001）已经部署完毕。该函数可能会被缩减为零，因为 Knative 服务的默认设置为 30 秒，如果在这段时间内没有网络流量到达该函数的 pod，函数就会停掉，如图 2 所示。

图 2：Topology 视图中的函数

请注意，可以给 REV 和 KSVC 添加一个新标签，将 pod 显示为 Quarkus 函数，让你在查看 Topology 视图时可以轻松区分各 pod。使用 oc 命令行，如下所示：

• 向 REV 添加一个 Quarkus 标签：

oc label rev/quarkus-serverless-example-00001 app.openshift.io/runtime=quarkus --overwrite

• 向 KSVC 添加一个 Function 标签：

oc label ksvc/quarkus-serverless-example boson.dev/function=true --overwrite

复制 RouteURL，然后粘贴到以下 CURL 命令行中来访问该函数。例如，该 URL 看起来可能是这样：https://quarkus-serverless-example-doh-dev.apps.sandbox.x8i5.p1.openshiftapps.com。

$ curl --header "Content-Type: application/json" \  --request POST \  --data '{"name":"Daniel"}' \ YOUR_ROUTE_URL/fun 

输入类似下面这样：Hello Daniel!

回到 Topology 视图，你会看到函数 pod 在一秒钟内自动启动，如图 3 所示。

图 3：向上扩展函数

查看 pod 日志，你会发现 Java 无服务器函数是作为一个 native 镜像运行的。它的启动时间是 17 毫秒，如图 4 所示。

图 4：原生可执行文件的启动时间

啊，一个超音速的亚原子应用！从现在开始，这些新的 Java 无服务器函数将使你能够在 Kubernetes 上优化资源使用，减少二氧化碳排放。

小    结

本文介绍了 Java 无服务器应用程序。在容器平台上（如 Kubernetes），它提供了比其他任何编程语言都高的资源密度，可以帮助组织减少二氧化碳排放，如图 5 所示。

图 5：容器平台上多个应用程序的资源密度

要构建 Java 应用程序原生镜像，开发人员还可以选择三个 GraalVM 发行版中的一个：Oracle GraalVM 社区版（CE）、Oracle GraalVM 企业版（EE）和 Mandrel。从这里可以进一步了解 GraalVM 和 Mandel 之间的区别。如果要继续 Kubernative 原生 Java 之旅，可以访问这个网站。

作者简介：

Daniel Oh 是红帽公司高级首席技术营销经理，负责向开发者介绍如何使用云原生运行时（即 Quarkus、Spring Boot、Node.js）和 OpenShift/Kubernetes 构建云原生微服务和无服务器函数。作为 CNCF 大使，Daniel 将继续为各种云开源项目和生态系统做出贡献，以加速 DevOps 在企业中的应用。他在许多技术研讨会、工作坊和聚会上发言，为企业开发人员和 DevOps 团队阐述新兴技术。

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