Spring Boot应用在kubernetes的sidecar设计与实战-阿里云开发者社区

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这里分类和汇总了欣宸的全部原创(含配套源码)： https://github.com/zq2599/blog_demos

基于Spring Boot框架的应用如何在kubernetes环境部署，是沿用Docker容器的做法还是另有其他？接下来咱们从理论到设计再到实战，一起来感受传统后台应用在容器环境的微妙变化；

Spring Boot应用

基于Spring Boot框架的应用，通常会构建成XXX.jar文件，执行java -jar XXX.jar来运行该应用；

Docker下的Spring Boot应用镜像

Docker环境下，通常用Maven的docker-maven-plugin插件将应用打包成镜像，例如以java:8u111-jdk作为基础镜像再加入jar文件，这样容器启动的时候执行java -jar XXX.jar就能将应用运行起来了；

传统思路

Spring Boot应用镜像在kubernetes声明为Pod，即可正常运行；
但是，这是合适的做法么？去K8S官网需要一些理论上的指导吧；

寻找官方的理论依据

官方文档地址：https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/pods/pod-overview/
其中对Pod中多个容器的关系描述如下：

上图红框中提到一个容器基于共享资源对外提供服务，另一个"sidecar"容器负责更新这些共享资源；
在Kubernetes中文社区的文档中也对此作了阐述，地址是：http://docs.kubernetes.org.cn/312.html

在提到Pod中的sidecar模式时，官方文档用到"relatively advanced"来形容，进一步证实了当下该模式的正确性，如下图：

具体的实现模型如下图：

Spring Boot应用的sidecar设计

根据kubernetes官方文档的指导，再结合SpringBoot应用的特点，我设计出的sidecar部署方式如下：

该应用的业务服务被封装在一个Pod定义中，该Pod由两个容器组成；
绿色容器是来自OpenJDK 官方镜像：openjdk:8u181-jre-alpine3.8，用docker history命令查看体积，几十兆不算大：

[root@localhost work]# docker history openjdk:8u181-jre-alpine3.8
IMAGE               CREATED             CREATED BY                                      SIZE                COMMENT
2e01f547f003        12 days ago         /bin/sh -c set -x  && apk add --no-cache  ...   78.6 MB             
<missing>           12 days ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV JAVA_ALPINE_VERSION...   0 B                 
<missing>           12 days ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV JAVA_VERSION=8u181       0 B                 
<missing>           7 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV PATH=/usr/local/sbi...   0 B                 
<missing>           7 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV JAVA_HOME=/usr/lib/...   0 B                 
<missing>           7 weeks ago         /bin/sh -c {   echo '#!/bin/sh';   echo 's...   87 B                
<missing>           7 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV LANG=C.UTF-8             0 B                 
<missing>           7 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  CMD ["/bin/sh"]              0 B                 
<missing>           7 weeks ago         /bin/sh -c #(nop) ADD file:25c10b1d1b41d46...   4.41 MB

之所以要用jre-alpine版本，是因为8u181-jdk版本相比之下大了很多，如下所示：

[root@localhost work]# docker history openjdk:8u181-jdk
IMAGE               CREATED             CREATED BY                                      SIZE                COMMENT
954739b8bdfb        7 days ago          /bin/sh -c /var/lib/dpkg/info/ca-certifica...   355 kB              
<missing>           7 days ago          /bin/sh -c set -ex;   if [ ! -d /usr/share...   348 MB              
<missing>           7 days ago          /bin/sh -c #(nop)  ENV CA_CERTIFICATES_JAV...   0 B                 
<missing>           7 days ago          /bin/sh -c #(nop)  ENV JAVA_DEBIAN_VERSION...   0 B                 
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV JAVA_VERSION=8u181       0 B                 
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV JAVA_HOME=/docker-j...   0 B                 
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c ln -svT "/usr/lib/jvm/java-8-op...   33 B                
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c {   echo '#!/bin/sh';   echo 's...   87 B                
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  ENV LANG=C.UTF-8             0 B                 
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c apt-get update && apt-get insta...   2.21 MB             
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c apt-get update && apt-get insta...   142 MB              
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c set -ex;  if ! command -v gpg >...   7.8 MB              
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c apt-get update && apt-get insta...   23.2 MB             
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  CMD ["bash"]                 0 B                 
<missing>           3 weeks ago         /bin/sh -c #(nop) ADD file:b3598c18dc39584...   101 MB

红色容器的镜像是用Spring Boot应用构建出来的，稍后再详细整个过程；
在kubernetes环境，这两个容器会挂载同一个Volume，红色容器将jar放在此处，绿色容器使用此处的jar；
红色容器用来提供jar，没有进程需要保持运行状态，很适合设置为Init Container类型；
绿色容器的java进程是长久运行的；
以上就是整体设计思路，接下来咱们就来实战吧，分三步完成：

实战步骤列举

本次实战分为以下几部分组成：
开发Spring Boot应用；
制作Docker镜像，做两个版本，以便验证升级；
编写yaml文件；
在kubernetes环境部署，验证；
升级版本，验证；

环境和版本信息

编译构建的jdk和运行的jre都用1.8版本；
maven：3.3.3；
spring boot：2.1.0.RELEASE；
docker：1.13.1；
kubernetes：1.12.2；

本次实战一共有四台CentOS7机器，基本信息如下：

hostname	IP地址	身份	配置
localhost	192.168.119.157	master，主控节点	双核，2G内存
node1	192.168.119.156	node，一号业务节点	双核，4G内存
node2	192.168.119.159	node，二号业务节点	双核，2G内存
maven	192.168.119.155	负责编译构建Spring Boot应用	双核，2G内存

kubernetes环境由localhost、node1、node2三台机器组成，maven负责编译构建、生成镜像、上传到镜像仓库等操作；

开发Spring Boot应用

这是个简单的Spring Boot应用，对外提供一个http接口，返回一个字符串；
您可以选择直接从GitHub下载这个工程的源码，地址和链接信息如下表所示：

名称	链接	备注
项目主页	https://github.com/zq2599/blog_demos	该项目在GitHub上的主页
git仓库地址(https)	https://github.com/zq2599/blog_demos.git	该项目源码的仓库地址，https协议
git仓库地址(ssh)	git@github.com:zq2599/blog_demos.git	该项目源码的仓库地址，ssh协议

这个git项目中有多个文件夹，本章源码在springbootsidecardemo这个文件夹下，如下图红框所示：

您也可以随本文一起来开发这个应用：
应用名为springbootsidecardemo，是用maven构建的，JDK使用1.8，Spring Boot版本2.1.0.RELEASE；
应用的pom.xml如下，为了构建Docker镜像使用了docker-maven-plugin插件，该插件具体的配置请参照下面的注释：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
    <artifactId>springbootsidecardemo</artifactId>
    <version>0.0.1</version>
    <packaging>jar</packaging>

    <name>springbootsidecardemo</name>
    <description>Demo project for Spring Boot sidecard demo in K8S</description>

    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.1.0.RELEASE</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>

    <properties>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <project.reporting.outputEncoding>UTF-8</project.reporting.outputEncoding>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <finalName>app</finalName>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>

            <!--新增的docker maven插件-->
            <plugin>
                <groupId>com.spotify</groupId>
                <artifactId>docker-maven-plugin</artifactId>
                <version>0.4.12</version>
                <!--docker镜像相关的配置信息-->
                <configuration>
                    <!--镜像名，这里用工程名-->
                    <imageName>bolingcavalry/${project.artifactId}</imageName>
                    <!--TAG,这里用工程版本号-->
                    <imageTags>
                        <imageTag>${project.version}</imageTag>
                    </imageTags>
                    <!--镜像的FROM，使用busybox-->
                    <baseImage>busybox</baseImage>
                    <!--构建镜像的配置信息-->
                    <resources>
                        <resource>
                            <targetPath>/</targetPath>
                            <directory>${project.build.directory}</directory>
                            <include>app.jar</include>
                        </resource>
                    </resources>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

上面的配置有一处需要注意，就是基础镜像的选择（就是baseImage节点中的内容），我用了busybox，用它是因为够小，来看docker镜像仓库中的描述，地址是https://hub.docker.com/_/busybox/：

看到这里，可能会有朋友问"为什么不用scratch？它比busybox更小"，scratch虽小，但不带基本的shell命令，例如cp命令，而后容器启动时要用cp命令对文件做复制操作，因此只能选择busybox了；
Controller类的代码也很简单：

package com.bolingcavalry.springbootsidecardemo.controller;

import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.util.Date;

/**
 * @Description: 一个最普通的Controller，hello接口返回一个字符串并带上当前时间
 * @author: willzhao E-mail: zq2599@gmail.com
 * @date: 2018/11/6 14:15
 */
@RestController
public class HelloController {

    @RequestMapping(value = "/hello")
    public String hello(){
        return "Hello version 1.0 " + new Date();
    }
}

制作应用的Docker镜像

请确保您当前环境的maven和Docker都已经OK了；
在应用的pom.xml所在目录执行如下命令即可构建Docker镜像：

mvn clean package -U -DskipTests docker:build

构建成功的控制台输出如下：

[INFO] Building image bolingcavalry/springbootsidecardemo
[INFO] Building image bolingcavalry/springbootsidecardemo
Step 1/2 : FROM busybox
 ---> 59788edf1f3e
Step 2/2 : ADD /app.jar //
 ---> 8105c9ac033b
Removing intermediate container fdc62513abf6
Successfully built 8105c9ac033b
[INFO] Built bolingcavalry/springbootsidecardemo
[INFO] Tagging bolingcavalry/springbootsidecardemo with 0.0.1
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] BUILD SUCCESS
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] Total time: 5.354 s
[INFO] Finished at: 2018-11-06T05:07:08-08:00
[INFO] Final Memory: 42M/225M
[INFO] ------------------------------------------------------------------------

构建成功后用docker history命令查看镜像，如下，三个layer组成：

root@maven:~# docker history bolingcavalry/springbootsidecardemo:0.0.1
IMAGE               CREATED             CREATED BY                                      SIZE                COMMENT
8105c9ac033b        46 minutes ago      /bin/sh -c #(nop) ADD file:909ca8e9c8898cd...   16.6 MB             
59788edf1f3e        4 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  CMD ["sh"]                   0 B                 
<missing>           4 weeks ago         /bin/sh -c #(nop) ADD file:63eebd629a5f755...   1.15 MB

去工程的target目录下看看构建的app.jar文件，如下所示，也是16兆，所以这个镜像已经被做到最小了，相对于以前那种JAVA环境+jar文件的镜像，这个镜像更易于下载和上传：

root@maven:/usr/local/work/github/blog_demos/springbootsidecardemo/target# ls -al
total 16276
drwxr-xr-x 9 root root     4096 Nov  6 05:08 .
drwxr-xr-x 5 root root     4096 Nov  6 05:29 ..
-rw-r--r-- 1 root root 16621351 Nov  6 05:08 app.jar
-rw-r--r-- 1 root root     4432 Nov  6 05:08 app.jar.original
drwxr-xr-x 3 root root     4096 Nov  6 05:08 classes
drwxr-xr-x 2 root root     4096 Nov  6 05:08 docker
drwxr-xr-x 3 root root     4096 Nov  6 05:08 generated-sources
drwxr-xr-x 3 root root     4096 Nov  6 05:08 generated-test-sources
drwxr-xr-x 2 root root     4096 Nov  6 05:08 maven-archiver
drwxr-xr-x 3 root root     4096 Nov  6 05:08 maven-status
drwxr-xr-x 3 root root     4096 Nov  6 05:08 test-classes

执行docker push命令，将镜像推送到镜像仓库中，我这里是推送到了hub.docker.com，您可以根据实际情况来执行，例如私有仓库、阿里云等都可以，当然了，如果当前机器就是K8S的机器就不用推送了，毕竟此镜像就是在K8S环境用的；
如果觉得推送到仓库太慢，或者从仓库下载太慢，也可以使用文件导入导出的方式，具体操作如下：

#将镜像导出为tar文件
docker save 2e01f547f003 > 1.tar

###将tar文件还原为镜像
docker load < 1.tar

###还原后的镜像的名称和tag都不对，要用tag命令来设置
docker tag 8105c9ac033b bolingcavalry/springbootsidecardemo:0.0.1

制作应用升级版的Docker镜像

为了验证K8S下的应用升级，做好tag为0.0.1的镜像之后，我们改动应用代码，把pom.xml中的版本改成0.0.2，然后再做个镜像，这样稍后在K8S就能验证Pod升级了；
修改HelloController.java的源码，hello方法返回的字符串，之前是Hello version 1.0，现在改成Hello version 2.0；
修改pom.xml中的version节点，之前是0.0.1，现在改成0.0.2，由于我们已配置了镜像tag就是工程版本，因此新构建的镜像tag会是0.0.2；
再次执行maven命令构建，然后推送到镜像仓库；
此时我们有两个镜像了：

root@maven:~# docker images | grep sidecar
bolingcavalry/springbootsidecardemo                                 0.0.2        f6ba01c33388        11 hours ago        17.8 MB
bolingcavalry/springbootsidecardemo                                 0.0.1        8105c9ac033b        11 hours ago        17.8 MB

现在镜像已经OK，该准备部署到kubernetes环境了；

编写yaml文件

在可以执行kubectl命令的机器上编写配置文件，Pod的配置javaweb-deploy.yaml文件内容如下：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: javaweb
spec:
  replicas: 1
  template:
    metadata:
     labels:
      name: javaweb
    spec:
     initContainers:
     - image: bolingcavalry/springbootsidecardemo:0.0.1
       name: appjar
       command: ["cp", "/app.jar", "/app"]
       volumeMounts:
       - mountPath: /app
         name: app-volume
     containers:
     - image: openjdk:8u181-jre-alpine3.8
       name: openjdk8u181
       command: ["java","-jar","/webapp/app.jar"]
       volumeMounts:
       - mountPath: /webapp
         name: app-volume
       ports:
       - containerPort: 8080
     volumes:
     - name: app-volume
       emptyDir: {}

从上述配置中，有两处需要注意：
第一，应用镜像被设置为initConteiners类型的容器，被设置执行cp命令将自己的app.jar文件复制到共享的 Volume；
第二，一直运行用于提供服务的容器，来自openjdk镜像的java进程，该进程加载的jar文件就是共享的 Volume中的app.jar；
为了能在浏览器上访问该应用，再部署个service，其配置文件javaweb-svc.yaml的内容如下：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: javaweb
spec:
  type: NodePort
  ports:
       - port: 8080
         nodePort: 30008
  selector:
    name: javaweb

启动pod和service，在前面的yaml文件所在目录执行命令如下：

kubectl create -f javaweb-deploy.yaml \
&& kubectl create -f javaweb-svc.yaml

service的类型是NodePort，因此可以通过Node节点的IP地址访问服务，我这边Node地址为192.168.119.159，因此访问地址就是：http://192.168.119.159:30008/hello ，在浏览器访问返回如下内容：

符合预期，证明主容器加sidecar容器的组合方式是可以正常工作的，接下来试试升级；

升级版本

接下来模拟生产环境的应用升级，前面准好了两个版本的应用镜像：0.0.1和0.0.2，现在K8S环境运行的是0.0.1，咱们将其升级为0.0.2：
修改javaweb-deploy.yaml文件中镜像的tag，从0.0.1改成0.0.2，如下图红框所示：

在javaweb-deploy.yaml文件所在目录执行如下命令即可完成升级：

kubectl apply -f javaweb-deploy.yaml

在浏览器访问http://192.168.119.159:30008/hello，返回如下内容，可见的确是修改后的应用逻辑：

升级成功，符合预期；

小结

sidecar模式下，仅需更新应用jar打包的镜像，这个镜像可以做到极小；
提供java进程的镜像是固定的，在K8S环境下，一个Node上实际运行着多种pod，如果他们的java进程都由一个镜像提供，其好处是不言而喻的；
Spring Boot应用的运行，是由java进程与应用jar文件组成的，很适合sidecar模式，通过容器解耦，通过pod对外服务；
至此，Spring Boot应用在kubernetes的sidecar设计与实战就全部完成了，希望此文能助您将应用以sidecar模式部署在kubernetes，如果您发现我对官网的指导内容理解有误或有偏差，欢迎您的热心指正，谢谢！

参考文档

下面是文中涉及到的一些知识点的细节，欢迎点击参考：
Docker下构建java应用镜像：
《maven构建docker镜像三部曲之一：准备环境》；
《maven构建docker镜像三部曲之二：编码和构建镜像》；
《maven构建docker镜像三部曲之三：推送到远程仓库(内网和阿里云)》；
kubernetes上部署应用和升级：
《kubernetes下的Nginx加Tomcat三部曲之一：极速体验》；
《kubernetes下的Nginx加Tomcat三部曲之二：细说开发》；
《kubernetes下的Nginx加Tomcat三部曲之三：实战扩容和升级》；

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