将 Java 应用容器化改造并迁移到 Kubernetes 平台

为了能够适应容器云平台的管理模式和管理理念，应用系统需要完成容器化的改造过程。对于新开发的应用，建议直接基于微服务架构进行容器化的应用开发；对于已经运行多年的传统应用系统，也应该逐步将其改造成能够部署到容器云平台上的容器化应用。本文针对传统的Java 应用，对如何将应用进行容器化改造和迁移到Kubernetes 平台上进行说明。

要将传统Java 应用改造迁移到Kubernetes 平台上运行，通常要经过以下几个步骤。

（1）进行应用代码改造，要考虑配置文件、多实例部署下的分布式架构问题，并对程序代码和架构做出相应的改造。

（2）进行容器化改造，选择合适的基础镜像并打包生成新的应用镜像，使得应用能以容器方式部署、运行。

（3）进行Kubernetes 建模与部署，采用合适的Kubernetes 资源对象建模Java 应用，最终发布到Kubernetes 平台上实现应用的自动化运维。

接下来以一个传统的Java 应用改造迁移过程为例，来说明上述步骤中的细节。

1 Java 应用的容器化改造迁移

我们的目标是搭建一个简单的学员分数管理系统（Study Application），应用界面与架构如下图。

Study Application 是一个典型的J2EE 系统，为了方便理解，并没有采用额外的框架技术，而是采用了MySQL 数据库，将JSP 作为Web 页面，并通过JDBC 进行数据库操作，整个系统以标准方式部署在Tomcat 的webapp 目录下。

下图所示是Study Application的目录结构与说明。

下面是在index.jsp 中访问数据库的关键代码， 数据库连接的配置信息被放在jdbc.properties 属性文件中，便于在不同的环境下修改：

   Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
java.util.Properties pps = new java.util.Properties();
pps.load(new java.io.FileInputStream("jdbc.properties"));
String ip=pps.getProperty("mysql_ip");
String user=pps.getProperty("user");
String password=pps.getProperty("password");
System.out.println("Connecting to database...");
conn =
java.sql.DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://"+ip+":3306"+"?useUnicode=tru
e&characterEncoding=UTF-8", user,password)
stmt = conn.createStatement();
String sql = "show databases like 'HPE_APP'";
rs =stmt.executeQuery(sql);

我们知道，应用在以容器化运行以后，是不建议进入容器里修改配置文件的（在多实例情况下很难保持配置文件同步更新），因此，需要修改从jdbc.properties 属性文件中获取数据库连接的以上代码，根据容器环境的要求，将其改为从环境变量中获取，改造后的代码如下：

   String ip=System.getenv("mysql_ip");
String user=System.getenv("user");
String password=System.getenv("password");

改造后的代码基本达到了容器化的要求，但对于一个完整的应用来说，由于还存在用户Session 会话保持的问题，因此还需要实现分布式的Session 会话机制，才能做到多实例部署，此时可以考虑采用Spring Session 框架来改造、升级我们的单体应用。对于大部分RESTful 服务，由于不需要会话保持功能，因此可以直接多副本部署，多个实例可以同时提供服务。

2 Java 应用的容器镜像构建

接下来，我们需要将自己的Java 应用打包为Docker 镜像，以容器方式启动并提供服务。在打包镜像时，需要注意以下几个关键问题。

（1）需要注意基础镜像的选择问题。选择基础镜像的两个原则：标准化与精简化。尽可能选择Docker 官方发布的基础镜像，这些基础镜像通常符合标准化与精简化这两个目标。比如，它们都有Dockerfile 源文件，我们可以获知此镜像是如何制作的，并可以在此基础上实现诸如软件版本、性能优化、日志及安全等方面的特殊定制，然后打包为公司级别的内部标准镜像，供各个项目使用。

（2）需要注意业务进程的启动方式。与在物理机上将自己的程序放到后台运行的方式不同，在容器化时，我们需要将自己的业务进程放到前台运行。这样一来，当业务进程由于某种原因而停止时，容器也随之销毁，我们就能及时观察到这种严重故障，并做出相应的行动来恢复系统。目前有一些系统在容器化的过程中采用了supervisord 这样的工具，将业务的主进程和辅助进程放到后台启动，并交给supervisord 监管，这种做法虽然在一定程度上也能实现自动重启故障进程的目标，但它将问题隐藏得更深，即使业务进程由于特殊故障始终无法重启成功，运维人员也发现不了问题，因此不建议采用这种方式启动业务进程。

（3）需要注意程序的日志输出问题。在物理机上运行业务进程时，我们通常会把程序日志输出到指定的文件中，以便更好地排查故障。但在容器化以后，我们需要改变这种做法，将程序的日志直接输出在容器的屏幕上（或者说控制台Console 上），此时Docker 会将这些输出日志存放到容器之外的特定文件中，第三方的日志收集工具（例如Elasticsearch）就可以方便采集这些日志并实现集中化的日志搜索和分析功能。此外，Docker 也提供了统一的log 命令来查看容器的日志，这推进了系统运维的标准化。Java 中常用的Log4j 及Slf4j日志框架都支持把日志输出到控制台的配置方式，在打包应用时，需要对日志的配置文件做出相应的修改。

（4）需要注意文件操作的问题。当业务进程运行在物理机上时，它看到的文件系统就是物理机的文件系统；但当业务进程运行在容器中时，它所访问的文件系统就是一种特殊的、被隔离的、分层模式的虚拟文件系统，在这种情况下，频繁进行I/O 操作的性能比较低。为了解决这个问题，容器可以使用Volume 将频繁进行操作的目录映射到容器外部（通常是物理机上）；同时，Volume 也是容器与外部交换文件的重要工具，因此在制作镜像和运行容器时，需要考虑Volume 映射的问题，对于在程序运行过程中产生的大量临时文件和被频繁读写的文件，或者在需要跟外界交换文件时，可以选择挂载Volume。

下图是Study Application 打包镜像的示意图及对应的Dockerfile 源码。

Study Application 的镜像继承了tomcat:9-alpine 这个官方的基础镜像，这个镜像基于Alpine Linux，如果对比一下，我们会发现，基于alpine 的镜像不到5MB，而基于Ubuntu或CentOS 的镜像都在100MB 以上。此外，从Study Application 的Dockerfile 来看，制作Java 类型应用的Docker 镜像是很方便的一件事，通常只需几行代码。

3 在Kubernetes 上建模与部署

在应用容器化后，就可以在Kubernetes 上建模与部署了，在建模的过程中，我们需要考虑一些关键问题，这些问题及其答案如下。

（1）将业务进程建模为Pod 还是RC？

对于这个问题，最重要的判断依据是该进程提供的是有状态服务还是无状态服务。对于无状态服务，比如大多数REST 接口的服务，通常是可以在任意节点上启动并提供服务的，例如我们这里的Web 应用程序就符合无状态服务。但对于有状态服务，比如MySQL服务，我们通常不能这么做，因为它依赖本地存储的数据库文件。对于有状态服务，我们通常只能将业务进程建模为Pod，这是因为RC 控制的Pod 实例可以从一台节点飘到另一台节点上，如果我们能够通过共享存储解决Pod 的状态问题，则也可以把某些有状态服务的进程建模为RC，这种做法与StatefulSet 很类似。

（2）我们是否需要在Pod 的基础上，继续建模对应的Service？

这主要取决于此Pod 是否会被其他业务进程（或终端用户）所访问，对于不会被其他业务进程所访问的Pod，我们无须建模对应的Service。实际上，在一个分布式系统中，大多数进程都会被建模为Service 并对应一个微服务，如果某个服务还需要被终端用户访问，则往往还需要“导出”外网访问地址，比如NodePort 端口。对于无须外部访问的Service，还可以考虑建模为Headless Service，在这种情况下，该Service 不会分配一个虚拟的ClusterIP，通信效率更高。

（3）是否需要考虑应用的数据存储问题？

如果只是本机存储，则可以直接使用Kubernetes Volume 资源对象；如果希望有远程存储功能，则可以考虑使用PV（Persistent Volume）。这样一来，不管Pod 被调度到哪台机器，都可以继续访问原来的存储数据。如果希望系统自动管理共享存储的空间，则可以考虑建模对应的StorageClass。

（4）是否需要考虑应用的配置问题？

我们知道，在几乎所有应用开发中，都会涉及配置文件的管理问题，比如StudyApplication 中的数据库配置信息，常见的互联网应用还有缓存中间件、消息队列、全文检索等一系列中间件的配置文件。而在分布式情况下，发布在多个节点上的Pod 副本都需要访问同一份配置文件，这也加大了配置管理的难度，为此业内的一些大公司专门开发了自己的一套配置管理中心，如360 的Qcon、百度的Disconf 等，但这些解决方案都比较复杂而且有侵入性。Kubernetes 则提供了无侵入的更简单的方案，这就是ConfigMap，我们可以把任意数量的配置文件放入ConfigMap 中，实现集中化管理，然后通过环境变量的方式将配置数据传递到Pod 里，或者通过Volume 方式挂载到Pod 内。

在Study Application 中，Web 应用在Kubernetes 上的建模如图6-4 所示。我们通过定义一个RC 来控制Web 的Pod 实例，数据库连接信息则通过环境变量传递到Pod 里，然后定义一个Service，并且通过NodePort 方式暴露到集群外供用户访问，即可完成这个Java应用的容器化改造工作。