云原生

S6-020选修高级约 60 分钟JDK 21Java 高级与架构 · 架构设计

1. 本节定位

Docker 与 K8s 讲的是「平台能给什么」；本节讲「应用必须遵守什么契约」，否则再好的平台也救不了它。

★ 四组一手实测（JDK 自带 HttpServer，无任何依赖） ✓✓：

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配置外置：默认值 → 环境变量覆盖（APP_PORT=9090 / prod-db / WARN）✓✓ 同一构件、不同环境
健康检查：/healthz=200（活着）而 /readyz=503（未就绪）→ **K8s 摘流量但绝不重启** ✓✓✓
优雅停机：停机信号 → 摘流量 → 新请求被拒 → **在途慢请求正常完成** → 进程退出 ✓✓✓
12-Factor：六条最常踩的自查清单 ✓

2. 学习目标

能背出云原生的应用契约（构件不变 / 环境决定行为 / 进程可丢弃）★★★；
会实现配置外置与结构化 stdout 日志 ★★★；
能区分 liveness 与 readiness 的语义并正确实现 ★★★；
会写优雅停机（先摘流量 → 等在途 → 退出）★★★。

3. 前置知识检查

会用 Docker 打包与运行吗？（《Docker 基础与镜像容器》）✓
知道 K8s 的三种探针与滚动更新吗？（《Kubernetes 入门》）✓

4. 为什么需要这个知识

★ 容器化后最常见的四类「应用侧事故」 ✗✗（都不是平台的锅）：

事故	后果
配置写死在代码/镜像里 ✗	换环境要重新打包；生产密码进了仓库 ✗✗
日志写本地文件 ✗✗	容器一销毁日志全丢；`kubectl logs` 什么都看不到 ✗✗
被 kill 时直接退出 ✗✗	在途请求被砍断，用户看到 502 ✗✗
把「依赖未就绪」当 liveness 失败 ✗✗	容器被反复重启，雪上加霜 ✓✓

5. 核心概念

5.1 云原生的应用契约（一句话）★★★

「构件不变、环境决定行为、进程可丢弃」 ✓✓✓

契约	含义	本节的实测
构件不变	同一个 jar/镜像，所有环境都用它	配置靠环境变量注入 ✓✓
环境决定行为	dev/测试/生产只有 env 不同	`APP_PORT=9090` 覆盖实测 ✓✓
进程可丢弃	随时可被杀、可扩容、可漂移	优雅停机 + 无状态 ✓✓✓

5.2 配置外置（实测）★★★

★ 默认值运行 ✓：

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APP_PORT = 8080（默认值）
DB_URL   = jdbc:postgresql://localhost:5432/dev（默认值）
LOG_LEVEL= INFO（默认值）

★ 环境变量覆盖（同一份构件） ✓✓✓：

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APP_PORT = 9090（来自环境变量 ✓）
DB_URL   = jdbc:postgresql://prod-db.internal:5432/app（来自环境变量 ✓）
LOG_LEVEL= WARN（来自环境变量 ✓）

★ 落地要点 ✓✓：代码里只出现「键名 + 默认值」，绝不出现环境专属值； 敏感信息用 Secret 注入（K8s Secret / 环境变量 / 配置中心），不进镜像、不进仓库 ✓✓✓。

5.3 健康检查：两个探针，两种语义（实测）★★★

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t=  420ms GET /healthz → 200（进程活着 = liveness 通过 ✓）
t=  554ms GET /readyz  → 503（依赖未就绪 = readiness 不通过）✓✓
   ★ 此时 K8s 的行为：**不派流量，但绝不重启** —— 这就是两个探针的区别 ✓✓✓
   ★ 如果把「依赖未就绪」写进 liveness：容器会被反复重启（经典事故）✗✗
t= 2561ms 依赖就绪 → GET /readyz → 200（开始接流量 ✓）

探针	回答的问题	失败后果	实现要点
liveness	进程还健康吗？	重启容器 ✗	只做「自我检查」（死锁检测），不查依赖 ✓✓
readiness	能接流量了吗？	摘掉流量，不重启 ✓	查依赖就绪 + 停机时主动返回 503 ✓✓✓
startup（《Kubernetes 入门》）	慢启动应用	重启	大应用/JVM 预热场景 ✓

★★ 这是《Kubernetes 入门》「配置探针」的进阶 ✓✓：探针配得对，还要应用「答得对」 ✓✓✓。

5.4 优雅停机：先摘流量、再等存量、最后退出（实测）★★★

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t= 2667ms 收到停机信号（模拟 SIGTERM / K8s 删除 Pod）
t= 2667ms /readyz → 503（**先摘流量**，不再接新请求）
t= 2682ms 停机期间的新请求被拒 → 503 ✓（正确行为）
t= 3571ms 在途慢请求完成：work-done ✓✓（没有被砍断）
t= 3573ms 在途请求清零 → 进程退出 ✓✓（对应 K8s 的 terminationGracePeriod）

★★★ 顺序不能错 ✓✓✓：

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① 收到 SIGTERM → ② /readyz 转 503（让负载均衡停止派新流量）→ ③ 等在途请求完成
→ ④ 关闭资源（连接池/消息消费者）→ ⑤ 退出

★ 少任何一步的后果 ✗✗：请求被砍断（用户看到 502）、优雅停机形同虚设； Python/Go/Java 各语言都要自己实现这个「停机握手」 ✓✓。

5.5 12-Factor 自查（六条最常踩的）★★

条目	要求	常见违规
III. 配置	环境变量注入	写死在代码/镜像 ✗✗
VI. 进程	无状态、可随时被杀	会话/文件存本地 ✗
VIII. 并发	靠进程水平扩展	一台机器无限加线程硬扛 ✗
IX. 易处置	快启动 + 优雅停机 + 快速失败	启动 5 分钟、停机砍请求 ✗✗
XI. 日志	写 stdout（结构化单行）	自己写文件 + 轮转 ✗✗
XII. 管理进程	一次性任务用独立进程	在 Web 进程里跑迁移 ✗

★ 为什么日志必须写 stdout ✓✓✓：容器的文件系统是「临时」的 —— stdout 由平台统一收集（EFK/Loki），轮转与保留是平台的事，应用只管输出 ✓✓。

5.6 CNCF 全景：知道「有什么」，按需再深入 ★★

层次	代表项目	你已经在用的
容器运行时	containerd / Docker	《Docker 基础与镜像容器》 ✓
编排	Kubernetes	《Kubernetes 入门》 ✓
服务网格	Istio / Linkerd	《服务网格》 ✓
可观测	Prometheus / Grafana / Jaeger / Loki	T2-016 ✓
消息与流	Kafka / RabbitMQ	《消息队列基础与选型》 ✓
CI/CD	Argo CD / GitHub Actions	《CI/CD 流水线设计》 ✓
网关	Envoy / Nginx Ingress	《Nginx 安装与反向代理》 ✓

★ 使用建议 ✓✓：别为了「云原生」而堆组件 —— 每个新增组件都要有明确的、可度量的收益 ✓✓✓。

6. 递进示例

6.1 健康检查端点（最小实现）

java

server.createContext("/healthz", exchange -> respond(exchange, 200, "alive"));
server.createContext("/readyz", exchange -> {
    boolean ready = dependencyReady && !shuttingDown;
    respond(exchange, ready ? 200 : 503, ready ? "ready" : "not-ready");
});

6.2 优雅停机的骨架

java

Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
    shuttingDown = true;                 // ① /readyz 开始返回 503
    while (inFlight.get() > 0) { sleep(10); }   // ② 等在途请求
    // ③ 关闭连接池 / 提交 offset —— 然后进程退出
}));

6.3 反例：启动时把依赖地址 ping 死了才启动

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「ping 不通数据库就不启动」✗✗ → 依赖故障时容器反复重启（CrashLoopBackOff）
正解：能启动就启动，**就绪状态交给 readiness 表达** ✓✓✓

7. 完整可运行代码与实测

代码：labs/java-deep/src/main/java/cn/kb/learn/deep/architecture/CloudNativeLesson.java

实测输出（时间线，节选）：

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===== 1. 健康检查：/healthz 与 /readyz 的语义差异 =====
  t=  420ms GET /healthz → 200（进程活着 = liveness 通过 ✓）
  t=  554ms GET /readyz  → 503（依赖未就绪 = readiness 不通过）✓✓
  t= 2561ms 依赖就绪 → GET /readyz → 200（开始接流量 ✓）

===== 2. 优雅停机：在途请求必须做完 =====
  t= 2667ms 收到停机信号（模拟 SIGTERM / K8s 删除 Pod）
  t= 2682ms 停机期间的新请求被拒 → 503 ✓（正确行为）
  t= 3571ms 在途慢请求完成：work-done ✓✓（没有被砍断）
  t= 3573ms 在途请求清零 → 进程退出 ✓✓

8. Debug 观察点

把 liveness 改成「依赖就绪才 200」：体验「依赖挂了 → 容器反复重启」✗✗✓；
去掉优雅停机的等待逻辑：观察在途请求被砍断 ✗✗✓；
用 docker run -e APP_PORT=9090 ... 复现环境变量覆盖（呼应《Docker 基础与镜像容器》）✓✓；
在 K8s 里把 terminationGracePeriodSeconds 调小到 1 秒：观察优雅停机被平台强制打断 ✗✓。

9. 常见错误

#	错误	说明
1	日志写文件 + 自己轮转 ✗✗✗	容器销毁日志全丢 ✓✓
2	liveness 里查依赖 ✗✗✗	依赖抖动 → 容器全体重启 ✓✓
3	没有优雅停机 ✗✗	滚动更新期间用户看到 502 ✓✓
4	配置/密钥打进镜像 ✗✗✗	换环境重打包 + 泄露风险 ✓✓
5	启动即强依赖（ping 不通就退出） ✗✗	CrashLoopBackOff，雪上加霜 ✓✓
6	为了云原生而堆组件 ✗	复杂度是负债，收益要可度量 ✓✓

10. 动手实验

跑 CloudNativeLesson，读完整时间线 ✓✓✓；
用 -e 环境变量在 Docker 里跑同一个 jar（《Docker 基础与镜像容器》）✓✓；
给项目 A 加上 /healthz、/readyz 与优雅停机（Spring Boot 自带 management.endpoint + server.shutdown=graceful）✓✓✓；
在 K8s 里验证：滚动更新时「零 502」（用 T2-015 的压测脚本持续打流量）✓✓✓。

验收方式：给一个容器化的 Java 服务，能逐条核对 12-Factor 与探针/停机的实现。

扩展任务：为项目 A 写《云原生就绪度清单》：配置、日志、探针、停机、资源限制（requests/limits）、镜像构建 ✓✓

11. 练习题

云原生应用契约的三句话是什么？
liveness 与 readiness 的失败后果分别是什么？为什么 liveness 不能查依赖？
优雅停机的正确顺序？少一步会怎样？
为什么日志必须写 stdout？谁来负责收集与轮转？
「构件不变」为什么重要？反例是什么？

参考答案（要点）

构件不变、环境决定行为、进程可丢弃 ✓✓★
liveness 失败 → 重启；readiness 失败 → 摘流量；依赖抖动会引发全体重启 ✓✓★
摘流量 → 等在途 → 关资源 → 退出；顺序错了请求被砍断（502）✓✓★
容器文件系统是临时的；平台统一收集（EFK/Loki）并轮转 ✓✓★
同一个构件穿过所有环境才有可复现性；反例：为生产重新打包（构建产物与测试过的不是同一个）✗✗★

12. 掌握标准

[ ] 能背应用契约三句话 ★★★；
[ ] 会实现配置外置与 stdout 日志 ★★★；
[ ] 能正确实现 liveness/readiness ★★★；
[ ] 会写优雅停机 ★★★；
[ ] 能逐条核对 12-Factor ★★。

13. 扩展资源

14. 下一步学习

S6 到此全量收官（并发 → JVM → 分布式 → 架构）。下一站：S7 求职与转岗（简历、项目表达、面试结构与高频题路径），以及 S8 持续学习（建立个人技术资产与知识库维护机制）。

前置知识

S4-027 Kubernetes 入门

后续知识

暂无

进度只保存在本机浏览器，可随时清除

外部学习资源

面试题库索引

项目与练手索引

工具与软件索引

云原生

1. 本节定位

2. 学习目标

3. 前置知识检查

4. 为什么需要这个知识

5. 核心概念

5.1 云原生的应用契约（一句话）★★★

5.2 配置外置（实测）★★★

5.3 健康检查：两个探针，两种语义（实测）★★★

5.4 优雅停机：先摘流量、再等存量、最后退出（实测）★★★

5.5 12-Factor 自查（六条最常踩的）★★

5.6 CNCF 全景：知道「有什么」，按需再深入 ★★

6. 递进示例

6.1 健康检查端点（最小实现）

6.2 优雅停机的骨架

6.3 反例：启动时把依赖地址 ping 死了才启动

7. 完整可运行代码与实测

8. Debug 观察点

9. 常见错误

10. 动手实验

11. 练习题

12. 掌握标准

13. 扩展资源

14. 下一步学习

前置知识

后续知识

云原生 ​

1. 本节定位 ​

2. 学习目标 ​

3. 前置知识检查 ​

4. 为什么需要这个知识 ​

5. 核心概念 ​

5.1 云原生的应用契约（一句话）★★★ ​

5.2 配置外置（实测）★★★ ​

5.3 健康检查：两个探针，两种语义（实测）★★★ ​

5.4 优雅停机：先摘流量、再等存量、最后退出（实测）★★★ ​

5.5 12-Factor 自查（六条最常踩的）★★ ​

5.6 CNCF 全景：知道「有什么」，按需再深入 ★★ ​

6. 递进示例 ​

6.1 健康检查端点（最小实现） ​

6.2 优雅停机的骨架 ​

6.3 反例：启动时把依赖地址 ping 死了才启动 ​

7. 完整可运行代码与实测 ​

8. Debug 观察点 ​

9. 常见错误 ​

10. 动手实验 ​

11. 练习题 ​

12. 掌握标准 ​

13. 扩展资源 ​

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5.2 配置外置（实测）★★★

5.3 健康检查：两个探针，两种语义（实测）★★★

5.4 优雅停机：先摘流量、再等存量、最后退出（实测）★★★

5.5 12-Factor 自查（六条最常踩的）★★

5.6 CNCF 全景：知道「有什么」，按需再深入 ★★

6. 递进示例

6.1 健康检查端点（最小实现）

6.2 优雅停机的骨架

6.3 反例：启动时把依赖地址 ping 死了才启动

7. 完整可运行代码与实测

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9. 常见错误

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14. 下一步学习