Kubernetes での Java サーバーレス関数の最適化

Kubernetes 上でサーバーレス関数を実行する際に、起動が高速化され、メモリフットプリントが小さくなります。

Kubernetes では、何千ものアプリケーションポッドを実行するコストと、使用するワーカーノードやその他のリソースが少ないことによるコスト削減のため、起動の高速化とメモリフットプリントの縮小が常に重要です。 Kubernetes 上のコンテナ化されたマイクロサービスでは、次の理由により、メモリがスループットよりも重要です。

永続性があるため、コストが高くなります (CPU サイクルとは異なります)。
マイクロサービスによりオーバーヘッドコストが飛躍的に増加します。
モノリシックアプリケーションは N 個のマイクロサービスになります (例: 20 個のマイクロサービス ≈ 20 GB)

これは、サーバーレス関数の開発と Java デプロイメントモデルに大きな影響を与えます。これは、多くのエンタープライズ開発者が、パフォーマンスのボトルネックを克服するために Go、Python、Nodejs などの代替手段を選択してきたためです。しかし、今では、新しい Kubernetes ネイティブ Java スタックである Quarkus のおかげで、その問題が解決されています。この記事では、Quarkus を使用して Kubernetes 上でサーバーレス関数を実行するための Java パフォーマンスを最適化する方法について説明します。

コンテナファースト設計

Java エコシステムの従来のフレームワークでは、構成処理、クラスパスのスキャン、クラスの読み込み、注釈処理、フレームワークに必要な世界のメタモデルの構築など、フレームワークの初期化に必要なメモリと起動時間という点でコストがかかります。これは、さまざまなフレームワークごとに何度も繰り返されます。

Quarkus は、オーバーヘッドのほぼすべてをビルドフェーズに「シフトレフト」することで、これらの Java パフォーマンスの問題を解決するのに役立ちます。コードとフレームワークの分析、バイトコード変換、および動的メタモデルの生成をビルド時に 1 回だけ実行することで、ビルドフェーズ中に作業が 1 回完了するため、従来の起動時に必要なメモリをすべて必要とせず、非常に高速に起動する、高度に最適化されたランタイム実行可能ファイルが作成されます。

さらに重要なのは、Quarkus を使用すると、起動時間が非常に速く、Resident Set Size (RSS) メモリが非常に小さいなど、パフォーマンス上の利点を備えたネイティブ実行可能ファイルを構築できるため、従来のクラウドネイティブ Java スタックと比較して、即時のスケーリングと高密度のメモリ利用が可能になることです。

Quarkus を使用して Java サーバーレス関数プロジェクトからネイティブ実行可能ファイルを構築する方法の簡単な例を示します。

1. QuarkusサーバーレスMavenプロジェクトを作成する

このコマンドは、単純な関数を作成するための Quarkus プロジェクト (たとえば、quarkus-serverless-native) を生成します。

2. ネイティブ実行ファイルを作成する

Java アプリケーションのネイティブ実行可能ファイルを構築するには、GraalVM が必要です。 Oracle GraalVM Community Edition (CE) や Mandrel (Oracle GraalVM CE のダウンストリームディストリビューション) など、任意の GraalVM ディストリビューションを選択できます。 Mandrel は、OpenJDK 11 上での Quarkus ネイティブ実行可能ファイルのビルドをサポートするように設計されています。

pom.xml を開くと、このネイティブ構成ファイルが見つかります。これを使用してネイティブ実行可能ファイルを構築します。

注: GraalVM または Mandrel ディストリビューションをローカルにインストールできます。また、Mandrel コンテナイメージをダウンロードしてビルドすることもできます (私が行ったように)。そのため、ローカルで実行されるコンテナエンジン (Docker など) が必要になります。

コンテナランタイムがすでに開始されていると仮定して、次の Maven コマンドのいずれかを実行します。

Dockerの場合:

Podmanの場合:

出力は BUILD SUCCESS で終わるはずです。

Java 仮想マシン (JVM) を使用せずにネイティブ実行可能ファイルを直接実行するには:

出力は次のようになります。

超音速！起動時間は19ミリ秒です。時間は環境によって異なる場合があります。

また、Linux ps ユーティリティで報告されるように、メモリ使用量も非常に低いです。アプリケーションの実行中に、別のターミナルでこのコマンドを実行します。

次のようなものが表示されます。

このプロセスでは約 11MB のメモリ (RSS) が使用されます。かなりコンパクトですね！

注意: あらゆるアプリケーション (Quarkus を含む) の RSS とメモリ使用量は、特定の環境によって異なり、アプリケーションエクスペリエンスの負荷が増すにつれて増加します。

REST API を使用して関数にアクセスすることもできます。出力は Hello RESTEasy のようになります。

3. Knativeサービスに関数をデプロイする

まだ作成していない場合は、OKD (OpenShift Kubernetes Distribution) に名前空間 (例: quarkus-serverless-native) を作成して、このネイティブ実行可能ファイルをサーバーレス関数としてデプロイします。次に、Knative サービスデプロイメントに quarkus-openshift 拡張機能を追加します。

Knative および Kubernetes リソースを構成するには、src/main/resources/application.properties に次の変数を追加します。

ネイティブ実行可能ファイルを構築し、OLD クラスターに直接デプロイします。

注: 事前に oc login コマンドを使用して、正しいプロジェクト (例: quarkus-serverless-native) にログインしていることを確認してください。

出力は BUILD SUCCESS で終わるはずです。ネイティブバイナリビルドを完了して新しい Knative サービスをデプロイするには数分かかります。サービスが正常に作成されたら、kubectl または oc コマンドツールを使用して、Knative サービス (KSVC) とリビジョン (REV) が表示されます。