掌握SpringBoot-2.3的容器探针：实战篇

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• 内容：原创文章分类汇总，及配套源码，涉及Java、Docker、K8S、DevOPS等
  
  经过多篇知识积累终于来到实战章节，亲爱的读者们，请将装备就位，一起动手体验SpringBoot官方带给我们的最新技术；

关于《SpringBoot-2.3容器化技术》系列

• 《SpringBoot-2.3容器化技术》系列，旨在和大家一起学习实践2.3版本带来的最新容器化技术，让咱们的Java应用更加适应容器化环境，在云计算时代依旧紧跟主流，保持竞争力；
• 全系列文章分为主题和辅助两部分，主题部分如下：

1. 《体验SpringBoot(2.3)应用制作Docker镜像(官方方案)》；
2. 《详解SpringBoot(2.3)应用制作Docker镜像(官方方案)》；
3. 《掌握SpringBoot-2.3的容器探针：基础篇》；
4. 《掌握SpringBoot-2.3的容器探针：深入篇》；
5. 《掌握SpringBoot-2.3的容器探针：实战篇》；

• 辅助部分是一些参考资料和备忘总结，如下：

1. 《SpringBoot-2.3镜像方案为什么要做多个layer》；
2. 《设置非root账号不用sudo直接执行docker命令》；
3. 《开发阶段，将SpringBoot应用快速部署到K8S》；

SpringBoot-2.3容器探针知识点小结

经过前面的知识积累，我们知道了SpringBoot-2.3新增的探针规范以及适用场景，这里做个简短的回顾：

1. kubernetes要求业务容器提供一个名为livenessProbe的地址，kubernetes会定时访问该地址，如果该地址的返回码不在200到400之间，kubernetes认为该容器不健康，会杀死该容器重建新的容器，这个地址就是存活探针；
2. kubernetes要求业务容器提供一个名为readinessProbe的地址，kubernetes会定时访问该地址，如果该地址的返回码不在200到400之间，kubernetes认为该容器无法对外提供服务，不会把请求调度到该容器，这个地址就是就绪探针；
3. SpringBoot的2.3.0.RELEASE发布了两个新的actuator地址，/actuator/health/liveness和/actuator/health/readiness，前者用作存活探针，后者用作就绪探针，这两个地址的返回值来自两个新增的actuator：Liveness State和Readiness State；
4. SpringBoot应用根据特殊环境变量是否存在来判定自己是否运行在容器环境，如果是，/actuator/health/liveness和/actuator/health/readiness这两个地址就有返回码，具体的值是和应用的状态有对应关系的，例如应用启动过程中，/actuator/health/readiness返回503，启动成功后返回200；
5. 业务应用可以通过Spring系统事件机制来读取Liveness State和Readiness State，也可以订阅这两个actuator的变更事件；
6. 业务应用可以通过Spring系统事件机制来修改Liveness State和Readiness State，此时/actuator/health/liveness和/actuator/health/readiness的返回值都会发生变更，从而影响kubernetes对此容器的行为（参照第一点和第二点），例如livenessProbe返回码变成503，导致kubernetes认为容器不健康，从而杀死容器；

小结完毕，接下来开始实打实的编码和操作实战，验证上述理论；

实战环境信息

本次实战有两个环境：开发和运行环境，其中开发环境信息如下：

1. 操作系统：Ubuntu 20.04 LTS 桌面版
2. CPU ：2.30GHz × 4，内存：32G，硬盘：1T NVMe
3. JDK：1.8.0_231
4. MAVEN：3.6.3
5. SpringBoot：2.3.0.RELEASE
6. Docker：19.03.10
7. 开发工具：IDEA 2020.1.1 (Ultimate Edition)

运行环境信息如下：

1. 操作系统：CentOS Linux release 7.8.2003
2. Kubernetes：1.15

事实证明，用Ubuntu桌面版作为开发环境是可行的，体验十分顺畅，IDEA、SubLime、SSH、Chrome、微信都能正常使用，下图是我的Ubuntu开发环境：

实战内容简介

本次实战包括以下内容：

1. 开发SpringBoot应用，部署在kubernetes；
2. 检查应用状态和kubernetes的pod状态的关联变化；
3. 修改Readiness State，看kubernetes是否还会把请求调度到pod；
4. 修改Liveness State，看kubernetes会不是杀死pod；

源码下载

1. 本次实战用到了一个普通的SpringBoot工程，源码可在GitHub下载到，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

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

1. 这个git项目中有多个文件夹，本章的应用在probedemo文件夹下，如下图红框所示：

开发SpringBoot应用

1. 请在IDEA上安装lombok插件：

1. 在IDEA上新建名为probedemo的SpringBoot工程，版本选择2.3.0：

1. 该工程的pom.xml内容如下，注意要有spring-boot-starter-actuator和lombok依赖，另外插件spring-boot-maven-plugin也要增加layers节点：

<?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 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.3.0.RELEASE</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>
    <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
    <artifactId>probedemo</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>probedemo</name>
    <description>Demo project for Spring Boot</description>

    <properties>
        <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>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <groupId>org.junit.vintage</groupId>
                    <artifactId>junit-vintage-engine</artifactId>
                </exclusion>
            </exclusions>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-actuator</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                <version>2.3.0.RELEASE</version>
                <!--该配置会在jar中增加layer描述文件，以及提取layer的工具-->
                <configuration>
                    <layers>
                        <enabled>true</enabled>
                    </layers>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

1. 应用启动类ProbedemoApplication是个最普通的启动类：

package com.bolingcavalry.probedemo;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class ProbedemoApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ProbedemoApplication.class, args);
    }
}

1. 增加一个监听类，可以监听存活和就绪状态的变化：

package com.bolingcavalry.probedemo.listener;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.boot.availability.AvailabilityChangeEvent;
import org.springframework.boot.availability.AvailabilityState;
import org.springframework.context.event.EventListener;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * description: 监听系统事件的类 <br>
 * date: 2020/6/4 下午12:57 <br>
 * author: willzhao <br>
 * email: zq2599@gmail.com <br>
 * version: 1.0 <br>
 */
@Component
@Slf4j
public class AvailabilityListener {

    /**
     * 监听系统消息，
     * AvailabilityChangeEvent类型的消息都从会触发此方法被回调
     * @param event
     */
    @EventListener
    public void onStateChange(AvailabilityChangeEvent<? extends AvailabilityState> event) {
        log.info(event.getState().getClass().getSimpleName() + " : " + event.getState());
    }
}

1. 增加名为StateReader的Controller的Controller，用于获取存活和就绪状态：

package com.bolingcavalry.probedemo.controller;

import org.springframework.boot.availability.ApplicationAvailability;
import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import javax.annotation.Resource;
import java.util.Date;

@RestController
@RequestMapping("/statereader")
public class StateReader {

    @Resource
    ApplicationAvailability applicationAvailability;

    @RequestMapping(value="/get")
    public String state() {
        return "livenessState : " + applicationAvailability.getLivenessState()
               + "<br>readinessState : " + applicationAvailability.getReadinessState()
               + "<br>" + new Date();
    }
}

1. 增加名为StateWritter的Controller，用于设置存活和就绪状态：

package com.bolingcavalry.probedemo.controller;

import org.springframework.boot.availability.AvailabilityChangeEvent;
import org.springframework.boot.availability.LivenessState;
import org.springframework.boot.availability.ReadinessState;
import org.springframework.context.ApplicationEventPublisher;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import javax.annotation.Resource;
import java.util.Date;

/**
 * description: 修改状态的controller <br>
 * date: 2020/6/4 下午1:21 <br>
 * author: willzhao <br>
 * email: zq2599@gmail.com <br>
 * version: 1.0 <br>
 */
@RestController
@RequestMapping("/staterwriter")
public class StateWritter {

    @Resource
    ApplicationEventPublisher applicationEventPublisher;

    /**
     * 将存活状态改为BROKEN（会导致kubernetes杀死pod）
     * @return
     */
    @RequestMapping(value="/broken")
    public String broken(){
        AvailabilityChangeEvent.publish(applicationEventPublisher, StateWritter.this, LivenessState.BROKEN);
        return "success broken, " + new Date();
    }

    /**
     * 将存活状态改为CORRECT
     * @return
     */
    @RequestMapping(value="/correct")
    public String correct(){
        AvailabilityChangeEvent.publish(applicationEventPublisher, StateWritter.this, LivenessState.CORRECT);
        return "success correct, " + new Date();
    }

    /**
     * 将就绪状态改为REFUSING_TRAFFIC（导致kubernetes不再把外部请求转发到此pod）
     * @return
     */
    @RequestMapping(value="/refuse")
    public String refuse(){
        AvailabilityChangeEvent.publish(applicationEventPublisher, StateWritter.this, ReadinessState.REFUSING_TRAFFIC);
        return "success refuse, " + new Date();
    }

    /**
     * 将就绪状态改为ACCEPTING_TRAFFIC（导致kubernetes会把外部请求转发到此pod）
     * @return
     */
    @RequestMapping(value="/accept")
    public String accept(){
        AvailabilityChangeEvent.publish(applicationEventPublisher, StateWritter.this, ReadinessState.ACCEPTING_TRAFFIC);
        return "success accept, " + new Date();
    }

}

1. 增加名为Hello的controller，此接口能返回当前pod的IP地址，在后面测试时会用到：

package com.bolingcavalry.probedemo.controller;

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

import java.net.Inet4Address;
import java.net.InetAddress;
import java.net.NetworkInterface;
import java.net.SocketException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.Enumeration;
import java.util.List;

/**
 * description: hello demo <br>
 * date: 2020/6/4 下午4:38 <br>
 * author: willzhao <br>
 * email: zq2599@gmail.com <br>
 * version: 1.0 <br>
 */
@RestController
public class Hello {

    /**
     * 返回的是当前服务器IP地址，在k8s环境就是pod地址
     * @return
     * @throws SocketException
     */
    @RequestMapping(value="/hello")
    public String hello() throws SocketException {
        List<Inet4Address> addresses = getLocalIp4AddressFromNetworkInterface();
        if(null==addresses || addresses.isEmpty()) {
            return  "empty ip address, " + new Date();
        }

        return addresses.get(0).toString() + ", " + new Date();
    }

    public static List<Inet4Address> getLocalIp4AddressFromNetworkInterface() throws SocketException {
        List<Inet4Address> addresses = new ArrayList<>(1);
        Enumeration e = NetworkInterface.getNetworkInterfaces();
        if (e == null) {
            return addresses;
        }
        while (e.hasMoreElements()) {
            NetworkInterface n = (NetworkInterface) e.nextElement();
            if (!isValidInterface(n)) {
                continue;
            }
            Enumeration ee = n.getInetAddresses();
            while (ee.hasMoreElements()) {
                InetAddress i = (InetAddress) ee.nextElement();
                if (isValidAddress(i)) {
                    addresses.add((Inet4Address) i);
                }
            }
        }
        return addresses;
    }

    /**
     * 过滤回环网卡、点对点网卡、非活动网卡、虚拟网卡并要求网卡名字是eth或ens开头
     * @param ni 网卡
     * @return 如果满足要求则true，否则false
     */
    private static boolean isValidInterface(NetworkInterface ni) throws SocketException {
        return !ni.isLoopback() && !ni.isPointToPoint() && ni.isUp() && !ni.isVirtual()
                && (ni.getName().startsWith("eth") || ni.getName().startsWith("ens"));
    }

    /**
     * 判断是否是IPv4，并且内网地址并过滤回环地址.
     */
    private static boolean isValidAddress(InetAddress address) {
        return address instanceof Inet4Address && address.isSiteLocalAddress() && !address.isLoopbackAddress();
    }
}

以上就是该SpringBoot工程的所有代码了，请确保可以编译运行；

制作Docker镜像

1. 在pom.xml所在目录创建文件Dockerfile，内容如下：

# 指定基础镜像，这是分阶段构建的前期阶段
FROM openjdk:8u212-jdk-stretch as builder
# 执行工作目录
WORKDIR application
# 配置参数
ARG JAR_FILE=target/*.jar
# 将编译构建得到的jar文件复制到镜像空间中
COPY ${JAR_FILE} application.jar
# 通过工具spring-boot-jarmode-layertools从application.jar中提取拆分后的构建结果
RUN java -Djarmode=layertools -jar application.jar extract

# 正式构建镜像
FROM openjdk:8u212-jdk-stretch
WORKDIR application
# 前一阶段从jar中提取除了多个文件，这里分别执行COPY命令复制到镜像空间中，每次COPY都是一个layer
COPY --from=builder application/dependencies/ ./
COPY --from=builder application/spring-boot-loader/ ./
COPY --from=builder application/snapshot-dependencies/ ./
COPY --from=builder application/application/ ./
ENTRYPOINT ["java", "org.springframework.boot.loader.JarLauncher"]

1. 先编译构建工程，执行以下命令：

mvn clean package -U -DskipTests

1. 编译成功后，通过Dockerfile文件创建镜像：

sudo docker build -t bolingcavalry/probedemo:0.0.1 .

1. 镜像创建成功：

SpringBoot的镜像准备完毕，接下来要让kubernetes环境用上这个镜像；

将镜像加载到kubernetes环境

此时的镜像保存在开发环境的电脑上，可以有以下三种方式加载到kubernetes环境：

1. push到私有仓库，kubernetes上使用时也从私有仓库获取；
2. push到hub.docker.com，kubernetes上使用时也从hub.docker.com获取，目前我已经将此镜像push到hub.docker.com，您在kubernetes直接使用即可，就像nginx、tomcat这些官方镜像一样下载；
3. 在开发环境执行docker save bolingcavalry/probedemo:0.0.1 > probedemo.tar，可将此镜像另存为本地文件，再scp到kubernetes服务器，再在kubernetes服务器执行docker load < /root/temp/202006/04/probedemo.tar就能加载到kubernetes服务器的本地docker缓存中；

以上三种方法的优缺点整理如下：

1. 首推第一种，但是需要您搭建私有仓库；
2. 由于springboot-2.3官方对镜像构建作了优化，第二种方法也就执行第一次的时候上传和下载很耗时，之后修改java代码重新构建时，不论上传还是下载都很快（只上传下载某个layer）；
3. 在开发阶段，使用第三种方法最为便捷，但如果kubernetes环境有多台机器，就不合适了，因为镜像是存在指定机器的本地缓存的；

我的kubernetes环境只有一台电脑，因此用的是方法三，参考命令如下(建议安装sshpass，就不用每次输入帐号密码了)：

# 将镜像保存为tar文件
sudo docker save bolingcavalry/probedemo:0.0.1 > probedemo.tar

# scp到kubernetes服务器
sshpass -p 888888 scp ./probedemo.tar root@192.168.50.135:/root/temp/202006/04/ 

# 远程执行ssh命令，加载docker镜像
sshpass -p 888888 ssh root@192.168.50.135 "docker load < /root/temp/202006/04/probedemo.tar"

kubernetes部署deployment和service

1. 在kubernetes创建名为probedemo.yaml的文件，内容如下，注意pod副本数是2，另外请关注livenessProbe和readinessProbe的参数配置：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: probedemo
spec:
  type: NodePort
  ports:
    - port: 8080
      nodePort: 30080
  selector:
    name: probedemo
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: probedemo
spec:
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        name: probedemo
    spec:
      containers:
        - name: probedemo
          image: bolingcavalry/probedemo:0.0.1
          tty: true
          livenessProbe:
            httpGet:
              path: /actuator/health/liveness
              port: 8080
            initialDelaySeconds: 5
            failureThreshold: 10
            timeoutSeconds: 10
            periodSeconds: 5
          readinessProbe:
            httpGet:
              path: /actuator/health/readiness
              port: 8080
            initialDelaySeconds: 5
            timeoutSeconds: 10
            periodSeconds: 5
          ports:
            - containerPort: 8080
          resources:
            requests:
              memory: "512Mi"
              cpu: "100m"
            limits:
              memory: "1Gi"
              cpu: "500m"

1. 执行命令kubectl apply -f probedemo..yaml，即可创建deployment和service：

1. 这里要重点关注的是livenessProbe的initialDelaySeconds和failureThreshold参数，initialDelaySeconds等于5，表示pod创建5秒后检查存活探针，如果10秒内应用没有完成启动，存活探针不返回200，就会重试10次(failureThreshold等于10)，如果重试10次后存活探针依旧无法返回200，该pod就会被kubernetes杀死重建，要是每次启动都耗时这么长，pod就会不停的被杀死重建；
2. 执行命令kubectl apply -f probedemo.yaml，创建deployment和service，如下图，可见在第十秒的时候pod创建成功，但是此时还未就绪：

1. 继续查看状态，创建一分钟后两个pod终于就绪：

1. 用kubectl describe命令查看pod状态，事件通知显示存活和就绪探针都有失败情况，不过因为有重试，因此后来状态会变为成功：

至此，从编码到部署都完成了，接下来验证SpringBoot-2.3.0.RELEASE的探针技术；

验证SpringBoot-2.3.0.RELEASE的探针技术

1. 监听类AvailabilityListener的作用是监听状态变化，看看pod日志，看AvailabilityListener的代码是否有效，如下图红框，在应用启动阶段AvailabilityListener被成功回调，打印了存活和就绪状态：

1. kubernetes所在机器的IP地址是192.168.50.135，因此SpringBoot服务的访问地址是http://192.168.50.135:30080/xxx

2. 访问地址http://192.168.50.135:30080/actuator/health/liveness，返回码如下图红框，可见存活探针已开启：

1. 就绪探针也正常：

1. 打开两个浏览器，都访问：http://192.168.50.135:30080/hello，多次Ctrl+F5强刷，如下图，很快就能得到不同结果，证明响应来自不同的Pod：

1. 访问：http://192.168.50.135:30080/statereader/get，可以得到存活和就绪的状态，可见StateReader的代码已经生效，可以通过ApplicationAvailability接口取得状态：

1. 修改就绪状态，访问：http://192.168.50.135:30080/statewriter/refuse，如下图红框，可见收到请求的pod，其就绪状态已经出现了异常，证明StateWritter.java中修改就绪状态后，可以让kubernetes感知到这个pod的异常：

1. 用浏览器反复强刷hello接口，返回的Pod地址也只有一个，证明只有一个Pod在响应请求：

1. 尝试恢复服务，注意请求要在服务器后台发送，而且IP地址要用刚才被设置为refuse的pod地址：

curl http://10.233.90.195:8080/statewriter/accept

1. 如下图，状态已经恢复：

1. 最后再来试试将存活状态从CORRECT改成BROKEN，浏览器访问：http://192.168.50.135:30080/statewriter/broken
2. 如下图红框，重启次数变成1，表示pod被杀死了一次，并且由于重启导致当前还未就绪，证明在SpringBoot中修改了存活探针的状态，是会触发kubernetes杀死pod的：

1. 等待pod重启、就绪探针正常后，一切恢复如初：

1. 强刷浏览器，如下图红框，两个Pod都能正常响应：

官方忠告

• 至此，《掌握SpringBoot-2.3的容器探针》系列就全部完成了，从理论到实践，咱们一起学习了SpringBoot官方带给我们的容器化技术，最后以一段官方忠告来结尾，大家一起将此忠告牢记在心：

• 我对以上内容的理解：选择外部系统的服务作为探针的时候要谨慎（外部系统可能是数据库，也可能是其他web服务），如果外部系统出现问题，会导致kubernetes杀死pod(存活探针问题)，或者导致kubernetes不再调度请求到pod(就绪探针问题)；（再请感谢大家容忍我的英语水平）

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