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圖解kubernetes控制器StatefulSet核心實(shí)現(xiàn)原理

StatefulSet是k8s中有狀態(tài)應(yīng)用管理的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn),今天就一起來了解下其背后設(shè)計(jì)的場(chǎng)景與原理,從而了解其適用范圍與場(chǎng)景。

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1. 基礎(chǔ)概念

首先介紹有狀態(tài)應(yīng)用里面的需要考慮的一些基礎(chǔ)的事情，然后在下一章我們?cè)偃タ磗tatefulSet的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)。

1.1 有狀態(tài)與無狀態(tài)

在日常開發(fā)的應(yīng)用中，通常可以分為兩大類：有狀態(tài)與無狀態(tài)，比如web服務(wù)通常都是無狀態(tài)的，web應(yīng)用數(shù)據(jù)主要來自后端存儲(chǔ)、緩存等中間件，而本身并不保存數(shù); 而諸如redis、es等其數(shù)據(jù)也是應(yīng)用自身的一部分，由此可以看出有狀態(tài)應(yīng)用本身會(huì)包含兩部分：應(yīng)用與數(shù)據(jù)。

1.2 一致性與數(shù)據(jù)

一致性是分布式系統(tǒng)中很常見的問題，上面提到有狀態(tài)應(yīng)用包含數(shù)據(jù)部分，那數(shù)據(jù)和一致性是不是一個(gè)東西呢?答案是并不一定，在諸如zookeeper等應(yīng)用中，會(huì)通過zab協(xié)議保證數(shù)據(jù)寫入到集群中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn), 而在諸如kafka之類的應(yīng)用其一致性設(shè)計(jì)要求相對(duì)較低，由此可以看出有狀態(tài)應(yīng)用數(shù)據(jù)的一致性，更多的是由對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而決定。

1.3 身份標(biāo)識(shí)

在一些應(yīng)用中身份標(biāo)識(shí)是系統(tǒng)本身組成的一部分，比如zookeeper其通過server的id來影響最終的zab協(xié)議的選舉，在kafka中分區(qū)的分配時(shí)也是按照對(duì)應(yīng)的id來分配的。

1.4 單調(diào)有序更新

通常分布式系統(tǒng)中都至少要保證分區(qū)容忍性，以防止部分節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不可用，在k8s中的statefulset中的 Pod的管理策略則是保證盡可能安全的逐個(gè)Pod更新，而不是并行啟動(dòng)或停止所有的Pod。

1.5 擴(kuò)縮容與故障轉(zhuǎn)移

在k8s中水平方向上的擴(kuò)容和縮容都非常簡(jiǎn)單，刪除和添加一個(gè)Pod的事情，但是對(duì)于有狀態(tài)應(yīng)用，其實(shí)就不知這些，比如擴(kuò)容后的數(shù)據(jù)如何做平衡，節(jié)點(diǎn)失敗后的故障轉(zhuǎn)移怎么做，這些都是要一個(gè)有狀態(tài)應(yīng)用需要自己考慮的事情。

2. 核心實(shí)現(xiàn)

StatefulSet的實(shí)現(xiàn)機(jī)制整體流程相對(duì)簡(jiǎn)明，接下來按照Pod管理、狀態(tài)計(jì)算、狀態(tài)管理、更新策略這幾部分來依次講解。

2.1 Pod的release與adopt

statefulSet中的pod的名字都是按照一定規(guī)律來進(jìn)行設(shè)置的, 名字本身也有含義, k8s在進(jìn)行statefulset更新的時(shí)候，首先會(huì)過濾屬于當(dāng)前statefulset的pod，并做如下操作

K8s中控制器與Pod的關(guān)聯(lián)主要通過兩個(gè)部分：controllerRef和label, statefulset在進(jìn)行Pod過濾的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的pod的controllerRef都是當(dāng)前的statefulset但是其label或者名字并不匹配，則就會(huì)嘗試release對(duì)應(yīng)的Pod。

反之如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)Pod的label和名字都匹配，但是controllerRef并不是當(dāng)前的statefulSet就會(huì)更新對(duì)應(yīng)的controllerRef為當(dāng)前的statefulset, 這個(gè)操作被稱為adopt。

通過該流程可以確保當(dāng)前statefulset關(guān)聯(lián)的Pod要么與當(dāng)前的對(duì)象關(guān)聯(lián)，要么我就釋放你，這樣可以維護(hù)Pod的一致性，即時(shí)有人修改了對(duì)應(yīng)的Pod則也會(huì)調(diào)整成最終一致性。

2.2 副本分類

在經(jīng)過第一步的Pod狀態(tài)的修正之后，statefulset會(huì)遍歷所有屬于自己的Pod，同時(shí)將Pod分為兩個(gè)大類：有效副本和無效副本(condemned)，前面提到過Pod的名字也是有序的即有N個(gè)副本的Pod則名字依次是{0...N-1}, 這里區(qū)分有效和無效也是依據(jù)對(duì)應(yīng)的索引順序，如果超過當(dāng)前的副本即為無效副本。

2.3 單調(diào)更新

單調(diào)更新主要是指的當(dāng)對(duì)應(yīng)的Pod管理策略不是并行管理的時(shí)候，只要當(dāng)前Replicas(有效副本)中任一一個(gè)Pod發(fā)生創(chuàng)建、終止、未就緒的時(shí)候，都會(huì)等待對(duì)應(yīng)的Pod就緒，即你要想更新一個(gè)statefulset的Pod的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的Pod必須已經(jīng)RunningAndReady。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. func allowsBurst(set *apps.StatefulSet) bool { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     return set.Spec.PodManagementPolicy == apps.ParallelPodManagement 
    3. 
  
  
  
  
  3. } 
    4.

2.4 基于計(jì)數(shù)器的滾動(dòng)更新

滾動(dòng)更新的實(shí)現(xiàn)相對(duì)隱晦一點(diǎn)，其主要是通過控制副本計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，首先倒序檢查對(duì)應(yīng)的Pod的版本是否是很新版本，如果發(fā)現(xiàn)不是，則直接刪除對(duì)應(yīng)的Pod，同時(shí)將currentReplica計(jì)數(shù)減一，這樣在檢查對(duì)應(yīng)的Pod的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的Pod的不存在，就需要為對(duì)應(yīng)的Pod生成新的Pod信息，此時(shí)就會(huì)使用比較新的副本去更新。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. func newVersionedStatefulSetPod(currentSet, updateSet *apps.StatefulSet, currentRevision, updateRevision string, ordinal int) *v1.Pod { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     // 如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的Pod的索引小于當(dāng)?shù)母北居?jì)數(shù)，則表明當(dāng)前Pod還沒更新到，但實(shí)際上可能因?yàn)閯e的原因 
    3. 
  
  
  
  
  3.     // 需要重新生成Pod模板，此時(shí)仍然使用舊的副本配置 
    4. 
  
  
  
  
  4.     if currentSet.Spec.UpdateStrategy.Type == apps.RollingUpdateStatefulSetStrategyType && 
    5. 
  
  
  
  
  5.         (currentSet.Spec.UpdateStrategy.RollingUpdate == nil && ordinal < int(currentSet.Status.CurrentReplicas)) || 
    6. 
  
  
  
  
  6.         (currentSet.Spec.UpdateStrategy.RollingUpdate != nil && ordinal < int(*currentSet.Spec.UpdateStrategy.RollingUpdate.Partition)) { 
    7. 
  
  
  
  
  7.         pod := newStatefulSetPod(currentSet, ordinal) 
    8. 
  
  
  
  
  8.         setPodRevision(pod, currentRevision) 
    9. 
  
  
  
  
  9.         return pod 
    10. 
  
  
  
  
  10.     } 
    11. 
  
  
  
  
  11.     // 使用新的配置生成新的Pod配置 
    12. 
  
  
  
  
  12.     pod := newStatefulSetPod(updateSet, ordinal) 
    13. 
  
  
  
  
  13.     setPodRevision(pod, updateRevision) 
    14. 
  
  
  
  
  14.     return pod 
    15. 
  
  
  
  
  15. } 
    16.

2.5 無效副本的清理

無效副本的清理應(yīng)該主要是發(fā)生在對(duì)應(yīng)的statefulset縮容的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的副本已經(jīng)被遺棄，就會(huì)直接刪除，此處默認(rèn)也需要遵循單調(diào)性原則，即每次都只更新一個(gè)副本。

2.6 基于刪除的單調(diào)性更新

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. if getPodRevision(replicas[target]) != updateRevision.Name && !isTerminating(replicas[target]) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.             klog.V(2).Infof("StatefulSet %s/%s terminating Pod %s for update", 
    3. 
  
  
  
  
  3.                 set.Namespace, 
    4. 
  
  
  
  
  4.                 set.Name, 
    5. 
  
  
  
  
  5.                 replicas[target].Name) 
    6. 
  
  
  
  
  6.             err := ssc.podControl.DeleteStatefulPod(set, replicas[target]) 
    7. 
  
  
  
  
  7.             status.CurrentReplicas-- 
    8. 
  
  
  
  
  8.             return &status, err 
    9. 
  
  
  
  
  9.         } 
    10.

Pod的版本檢測(cè)位于對(duì)應(yīng)一致性同步的最后，當(dāng)代碼走到當(dāng)前位置，則證明當(dāng)前的statefulSet在滿足單調(diào)性的情況下，有效副本里面的所有Pod都是RunningAndReady狀態(tài)了，此時(shí)就開始倒序進(jìn)行版本檢查，如果發(fā)現(xiàn)版本不一致，就根據(jù)當(dāng)前的partition的數(shù)量來決定允許并行更新的數(shù)量，在這里刪除后，就會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的事件，從而觸發(fā)下一個(gè)調(diào)度事件，觸發(fā)下一輪一致性檢查。

2.7 OnDelete策略

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. if set.Spec.UpdateStrategy.Type == apps.OnDeleteStatefulSetStrategyType { 
    2. 
  
  
  
  
  2.        return &status, nil 
    3. 
  
  
  
  
  3.    } 
    4.

StatefulSet的更新策略除了RollingUpdate還有一種即OnDelete即必須人工刪除對(duì)應(yīng)的 Pod來觸發(fā)一致性檢查，所以針對(duì)那些如果想只更新指定索引的statefulset可以嘗試該策略，每次只刪除對(duì)應(yīng)的索引，這樣只有指定的索引會(huì)更新為很新的版本。

2.8 狀態(tài)存儲(chǔ)

狀態(tài)存儲(chǔ)其實(shí)就是我們常說的PVC，在Pod創(chuàng)建和更新的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的PVC的不存在則就會(huì)根據(jù)statefulset里面的配置創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的PVC，并更新對(duì)應(yīng)Pod的配置。

3. 有狀態(tài)應(yīng)用總結(jié)

從核心實(shí)現(xiàn)分析中可以看出來，有狀態(tài)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上核心是基于一致性狀態(tài)、單調(diào)更新、持久化存儲(chǔ)的組合，通過一致性狀態(tài)、單調(diào)性更新，保證期望副本的數(shù)量的Pod處于RunningAndReady的狀態(tài)并且保證有序性，同時(shí)通過持久化存儲(chǔ)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。

有序的重要性，在分布式系統(tǒng)中比較常見的兩個(gè)設(shè)計(jì)就是分區(qū)和副本，其中副本主要是為了保證可用性，而分區(qū)主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的平均分布，二者通常都是根據(jù)當(dāng)前集群中的節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行分配的，如果我們節(jié)點(diǎn)短暫的離線升級(jí)，數(shù)據(jù)保存在對(duì)應(yīng)的PVC中，在恢復(fù)后可以很快的進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的信息的恢復(fù)并重新加入集群，所以后面如果開發(fā)這種類似的分布式應(yīng)用的時(shí)候，可以將底層的恢復(fù)和管理交給k8s，數(shù)據(jù)保存在PVC中，則應(yīng)用更多的只需要關(guān)注系統(tǒng)的集群管理和數(shù)據(jù)分布問題即，這也是云原生帶來的改變。

今天就到這里，好久沒更新了，讀源碼的過程不易，歡迎幫轉(zhuǎn)發(fā)分享交流，一起進(jìn)步。


新聞標(biāo)題：圖解kubernetes控制器StatefulSet核心實(shí)現(xiàn)原理
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