云计算环境下的JVM虚拟化特性初探

目前对于到底什么是云计算，什么样的平台属于云计算平台，等等围绕云计算相关的问题，不同的软硬件厂商对此都有自己不同的理解，有着自己不同的定义。他们所提供的云计算平台也是千差万别。谈到云计算，大家总会联想到这些方面的东西：比如说高伸缩性（High Scalability）、成本节约（Cost Saving）、按需使用（Use On Demand）等等。我们姑且不论云计算带来的这些纷繁多样的种种概念，如果仅仅从技术角度来讲，云计算本身并不是一个什么新奇的概念，可以理解为一种新型的IT服务交付使用方式，而传统的技术比如虚拟化、集群、网格等等都可以用来作为云计算平台的支撑技术。更详尽的有关云计算概念的介绍，请参考Wikipedia描述。

一般来讲，云计算平台被解释为如下的架构，图1所示。

图 1. 云计算平台架构

最下的一层是IaaS、提供CPU、网络，存储等基础硬件的云服务。在IaaS这一层，著名的云计算产品有Amazon的S3(Simple Storage Service)， 提供给用户云存储服务。

再上一层是PaaS，提供类似于操作系统层次的服务与管理 ，比如Google GAE，你可以把自己写 Java 应用（或者是Python）丢在Google的GAE里运行，GAE就像一个”云”操作系统，对你而言，不用关心你的程序在那台机器上运行。

最后一层是SaaS，就是我们所熟悉的软件即服务。事实上SaaS的概念的出现要早于云计算，只不过云计算的出现让原来的SaaS找到了自己更加合理的位置。本质上，SaaS的理念是：有别的传统的许可证付费方式（比如购买Windows Office），SaaS强调按需使用付费。SaaS著名的产品很多，比如IBM的LotusLive、Salesforce.com等。

多租户的概念是伴随云计算而出现的，在这里有必要介绍一下，我们后面的讨论很大量涉及这个概念。

多租户是一个软件架构方面的概念，指的是一个软件实例（Application Instance）可以供多个组织（Organization或者称为Tenant）使用。这里可以理解为应用程序的虚拟化，也即：多个租户共同使用同一个软件实例，但是每一个租户在数据集，配置等方面有自己的虚拟划分。实际上，在某种程度上，基于B/S架构的应用程序比如J2EE应用本身就是多租户性质的，因为大家都是使用浏览器来访问同一份部署在Application Server上的软件实例。这里之所以说是”某种程度”，是因为对于我们谈到的数据集按租户虚拟划分，现实的 J2EE 应用并没有支持。这个东西本文在后面会详细谈到。

接下来的章节，将以S3和GAE为例子，围绕本文讨论的主题：多租户和资源管理， 简单介绍一下在这些典型的云计算平台上，多租户是怎么样进行部署的，以及在这些平台上的资源是如何被管理的。

Amazon S3向用户提供的在线的（基于Internet）云存储服务。用户可以在S3上存储任何数据，这些数据可以是私有的亦或是可以被公共访问的。Amazon S3 支持 Web 浏览器或者BitTorrent来访问这些数据。一般来讲，用户使用S3:

作为Backup server：存储你的私有数据到S3上去，这样你就不需要自己购买维护自己的备份磁盘，你只是付费从Amazon租赁磁盘空间。作为Data host: 存储数据到S3上，并且其他人有访问这些数据的权限。这里，你付费的对象不是传统意义上的ISP，而是Amazon。 S3存储涉及两个核心的概念：S3 bucket和S3 object。S3 object是对存在于Amazon S3上内容的抽象，其包括两方面的内容：数据和元数据，数据指的是你存储的真正的内容，比如一份PDF文档，一个HTML文件等。而元数据是对该数据的描述，比如可以用于指定当前存放的内容的Content-Type是text/html。每一个S3 object有一个唯一的Key来标志。S3 bucket是存放S3 object的容器。如果用个类比的话，S3 bucket相当于于磁盘上的文件系统，而S3 Object 则是这个文件系统中的一个文件。

我们用一个简单的例子来看，在S3上多租户是怎么做出来的？

假如想利用S3存储example.com web站点，首先需要创建名为”example.com”的bucket，然后在这个bucket里创建诸如：键值为 “”( 空串 )，”catalog”、“catalog/929339”的objects，这些objects对应的URL分别为:“http://example.com/”，“http://example.com/catalog/”，“http://example.com/catalog/929339”，而object的值就是相应的 HTML 页面，元数据Content-Type被设置为 text/html（相应于标准的http定义）。

如果多租户的角度来看，我们可以把S3看作是在线的存储服务器，各个租户可以把自己的信息存储在S3上，比如 : 甲租户可以把 http://tenantA.com网站放在S3上，乙租户可以存储的是http://tenantB.com网站，各个租户共享S3的使用。

除了多租户支持，S3还有资源的使用管理，计费等功能，如图2所示：

图 2. S3 存储价格表

较之于IaaS、Google App Engine提供了更多的系统抽象能力。如果做一个比喻的话，IaaS相当于你有了一台拥有存储、网络、CPU等计算资源的计算机，而PaaS的Google App Engine则是装在这台计算机上的操作系统。设想一下，如果你开发一个传统意义上的J2EE应用，你要关心的事情除了应用程序本身之外，还有：要部署在什么样的应用服务器上，使用什么样的数据库，应用的可伸缩性(Scalability)等等。而有了GAE，这些东西你都不需要关心了，你只需要根据GAE规范开发J2EE应用，然后把它部署在GAE云里，GAE会帮助你管理除了你的应用程序本身的所有事情。

GAE本身就是多租户的架构，即：来自不同租户的、任何一个符合GAE规范J2EE都可以部署在GAE上。

而且，部署在GAE上的应用实例，如果你想把它作为一个SaaS应用的话，本身也可以实现多租户，也就是说：当你的一个部署在GAE上的J2EE应用需要被不同的租户使用时，可以使用Google提供的Namespace API将其虚拟化为多个应用实例。比如：该SaaS应用的不同的租户使用了不同的子域名(subdomain)，tenantA 的子域名是tenantA.example.com，tenantB的子域名是tenantB.example.com等等，你可以使用下面的代码把不同的租户划归在不同的命名空间里，它们可以在共享同一个Datastore实例的基础上按照不同的租户实现相互的隔离。

清单 1. GAE App Multitenancy

以下是引用片段： //Filtertosetthenamespacebydifferentsubdomain. publicclassNamespaceFilterimplementsjavax.servlet.Filter{ @Override publicvoiddoFilter(ServletRequestreq,ServletResponseres,FilterChainchain) throwsIOException,ServletException{ //Makesureset()isonlycalledifthecurrentnamespaceisnotalreadyset. if(NamespaceManager.get()==null){ NamespaceManager.set(req.getServerName()); } //Chainintothenextrequest. chain.doFilter(req,res); } //…remainingFiltermethodsinit()anddestroy() }

值得注意的是，GAE Namespace使用了Thread-local storage的技术。也就是说，你在Filter设置的Namespace Manager，其生存期 ( 或者叫做有效范围 ) 是存在于单个HTTP Request生命周期内 ( 即：当前线程服务该请求的期间内 )，而不是租户登录后的整个Session周期。

类似于Amazon S3，GAE也提供了资源的管理计费功能，如图3所示。

图 3. GAE资源管理

写到这里，总结一下：我们看到，无论是S3还是GAE，都对多租户以及资源管理做了支持。 事实上，不只是S3和GAE，多租户以及资源管理是任何一个云计算平台都必须具备的一个核心特质。

如何我们简单的把S3和GAE看作是运行在Java平台的上的应用程序 ( 底层运行的是 JRE ！ )，那么我们可以说：S3和GAE都在Java Application这个层次上对这两个需求做了它们自己的实现。进一步设想，如果我们要求底层的 JRE 本身就能对多租户和资源管理提供支持，那么有理由相信，这些部署在JRE上的Java应用，利用底层JRE的这些支持，应该能更高效、简洁、方便地来做这方面的工作。这也是本文接下来要谈的Java平台的两个重要的JSR：JSR284和JSR121的原因。一个是Java平台的资源管理支持，一个是Java平台的多租户支持。

早在云计算兴起之前，Sun Lab就已经开始于Java平台的资源的共享与管理。比如：如果不借助操作系统的本地支持，我们没办法让一个普通的Java应用程序受限于CPU的使用，受限于Disk IO或者网络带宽的使用等等。当我们在同一台机器上运行多个JVM实例时，它们都是独立的用户进程，每个JVM的启动都需要实例化自己一份独立的JDK类库，其结果是：JVM启动时间(Startup)、内容(Memory footprint)等都消耗在重复的JVM初始化上。我们要问的问题是：多个JVM可以最大化地共享JDK运行时吗 ? 在共享的同时它们能够互不影响吗？这就是Sun发起Barcelona研究项目，Multi-Tasking Virtual Machine（即MVM）的主要原因。

在云计算大行其道的今天，我们回过头再来审视一下Barcelona项目，MVM所有解决的两个目标：资源的共享与管理，在云计算的环境下显得愈加的重要。正如我们前面所讲的那样，作为云计算环境两个必备的两个特性，多租户和资源管理，前者要求最大化的共享软件实例，后者要求我们在共享的基础上如何对资源的使用进行隔离与控制。这也正和MVM的目标不谋而合。由MVM源生出了下面的两个JSR：121和284，这也应该是Java平台走向虚拟化的所必需的步骤。

在不久的将来，云计算一定会彻底走入我们的生活，有兴趣入行未来前沿产业的朋友，可以收藏云计算，及时获取人工智能、大数据、云计算和物联网的前沿资讯和基础知识，让我们一起携手，引领人工智能的未来！

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