Kubernetes控制器ReplicaSet

Kubernetes控制器-ReplicaSet

控制循环

Kubernetes控制器会监听资源的创建、更新、删除事件，并触发Reconcile函数作为响应。整个调整过程被称作Reconclile Loop(调谐循环)或者Sync loop(同步循环)。Reconcile是一个使用资源对象的命名空间和资源对象名称来调用的函数，使得资源对象的实际状态和资源清单中定义的状态保持一致。调用完成后，Reconcile会将资源对象的状态更新为当前实际状态。我们使用Go语言风格的伪代码来描述这个过程。

for {
	实际状态 := 获取集群中对象 X 的实际状态（Actual State）
	期望状态 := 获取集群中对象 X 的期望状态（Desired State）
	if 实际状态 == 期望状态{
		什么都不做
	} else {
		执行编排动作，将实际状态调整为期望状态
	}
}

这个编排模型就是 Kubernetes 项目中的一个通用编排模式，即：控制循环（control loop）。

ReplicaSet

假如我们现在有一个 Pod 正在提供线上的服务，我们来想想一下我们可能会遇到的一些场景：

• 某次运营活动非常成功，网站访问量突然暴增
• 运行当前 Pod 的节点发生故障了，Pod 不能正常提供服务了

第一种情况，可能比较好应对，活动之前我们可以大概计算下会有多大的访问量，提前多启动几个 Pod 副本，活动结束后再把多余的 Pod 杀掉，虽然有点麻烦，但是还是能够应对这种情况的。

第二种情况，可能某天夜里收到大量报警说服务挂了，然后起来打开电脑在另外的节点上重新启动一个新的 Pod，问题可以解决。

但是如果我们都人工的去解决遇到的这些问题，似乎又回到了以前刀耕火种的时代了是吧？如果有一种工具能够来帮助我们自动管理 Pod 就好了，Pod 挂了自动帮我在合适的节点上重新启动一个 Pod，这样是不是遇到上面的问题我们都不需要手动去解决了。

而 ReplicaSet 这种资源对象就可以来帮助我们实现这个功能，ReplicaSet（RS） 的主要作用就是维持一组 Pod 副本的运行，保证一定数量的 Pod 在集群中正常运行，ReplicaSet 控制器会持续监听它所控制的这些 Pod 的运行状态，在 Pod 发生故障数量减少或者增加时会触发调谐过程，始终保持副本数量一定。

和 Pod 一样我们仍然还是通过 YAML 文件来描述我们的 ReplicaSet 资源对象，如下 YAML 文件是一个常见的 ReplicaSet 定义：(nginx-rs.yaml)

apiVersion: apps/v1
kind: Namespace
metadata:
  name: dev

---
apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  data: rs-demo
  namespace: dev
spec:
  replicas: 3   # 期望的pod副本数量，默认值 1
  selector:     # 标签选择器，必须匹配Pod模板中的标签
    matchLabels:
      app: nginx
  template:    # Pod模板
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx1.17.1
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 80
              protocol: TCP

上面的 YAML 文件结构和我们之前定义的 Pod 看上去没太大两样，有常见的 apiVersion、kind、metadata，在 spec 下面描述 ReplicaSet 的基本信息，其中包含3个重要内容：

• replicas：表示期望的 Pod 的副本数量
• selector：Label Selector，用来匹配要控制的 Pod 标签，需要和下面的 Pod 模板中的标签一致
• template：Pod 模板，实际上就是以前我们定义的 Pod 内容，相当于把一个 Pod 的描述以模板的形式嵌入到了 ReplicaSet 中来。

上面就是我们定义的一个普通的 ReplicaSet 资源清单文件，ReplicaSet 控制器会通过定义的 Label Selector 标签去查找集群中的 Pod 对象：

我们创建上面的资源对象：

# kubectl apply -f nginx-rs.yaml

# kubectl get rs -n dev

NAME      DESIRED   CURRENT   READY   AGE
rs-demo   3         3         3       28s

通过查看 RS 可以看到当前资源对象的描述信息，包括DESIRED、CURRENT、READY的状态值，创建完成后，可以利用如下命令查看下 Pod 列表：

# kubectl get pods -l app=nginx -n dev
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
rs-demo-fsrhh   1/1     Running   0          2m28s
rs-demo-qdvtz   1/1     Running   0          2m28s
rs-demo-zvgcq   1/1     Running   0          2m28s

可以看到现在有 3 个 Pod，这 3 个 Pod 就是我们在 RS 中声明的 3 个副本，比如我们删除其中一个 Pod：

# kubectl delete pod rs-demo-fsrhh -n dev
pod "rs-demo-fsrhh" deleted

我们再次查看pod列表：

# kubectl get pods -l app=nginx -n dev
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
rs-demo-ggb4n   1/1     Running   0          66s
rs-demo-qdvtz   1/1     Running   0          4m49s
rs-demo-zvgcq   1/1     Running   0          4m49s

可以看到又重新出现了一个 Pod，这个就是上面我们所说的 ReplicaSet 控制器为我们做的工作，我们在 YAML 文件中声明了 3 个副本，然后现在我们删除了一个副本，就变成了两个，这个时候 ReplicaSet 控制器监控到控制的 Pod 数量和期望的 3 不一致，所以就需要启动一个新的 Pod 来保持 3 个副本，这个过程上面我们说了就是调谐的过程。同样可以查看 RS 的描述信息来查看到相关的事件信息：

# kubectl describe rs rs-demo -n dev
Name:         rs-demo
Namespace:    dev
Selector:     app=nginx
Labels:       <none>
Annotations:  Replicas:  3 current / 3 desired
Pods Status:  3 Running / 0 Waiting / 0 Succeeded / 0 Failed
Pod Template:
  Labels:  app=nginx
  Containers:
   nginx:
    Image:        nginx:1.17.1
    Port:         80/TCP
    Host Port:    0/TCP
    Environment:  <none>
    Mounts:       <none>
  Volumes:        <none>
Events:
  Type    Reason            Age    From                   Message
  ----    ------            ----   ----                   -------
  Normal  SuccessfulCreate  6m17s  replicaset-controller  Created pod: rs-demo-fsrhh
  Normal  SuccessfulCreate  6m17s  replicaset-controller  Created pod: rs-demo-zvgcq
  Normal  SuccessfulCreate  6m17s  replicaset-controller  Created pod: rs-demo-qdvtz
  Normal  SuccessfulCreate  2m34s  replicaset-controller  Created pod: rs-demo-ggb4n

可以发现最开始通过 ReplicaSet 控制器创建了 3 个 Pod，后面我们删除了 Pod 后， ReplicaSet 控制器又为我们创建了一个 Pod，和上面我们的描述是一致的。如果这个时候我们把 RS 资源对象的 Pod 副本更改为 2 spec.replicas=2，这个时候我们来更新下资源对象：

# kubectl apply -f nginx-rs.yaml 
namespace/dev unchanged
replicaset.apps/rs-demo configured
# kubectl get pods -l app=nginx -n dev
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
rs-demo-qdvtz   1/1     Running   0          9m43s
rs-demo-zvgcq   1/1     Running   0          9m43s

可以看到 Replicaset 控制器在发现我们的资源声明中副本数变更为 2 后，就主动去删除了一个 Pod，这样副本数就和期望的始终保持一致了。

当然除了上面使用vim修改yaml文件的方式来实现pod的扩缩容外，我们还可以使用kubectl edit来进行修改：

kubectl edit rs rs-demo -n dev

上面两种方式都是修改yaml文件来实现扩缩容，我们也可以直接使用scale配合--replicas=n命令来实现扩缩容，比如现在期望的pod的数量是2，那么我们使用命令恢复为3：

# kubectl scale rs rs-demo --replicas=3 -n dev
replicaset.apps/rs-demo scaled

# kubectl get pods -l app=nginx -n dev
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
rs-demo-qdvtz   1/1     Running   0          34m
rs-demo-vrrls   1/1     Running   0          55s
rs-demo-zvgcq   1/1     Running   0          34m

有时候呢，我们需要对镜像实现升级或者做降级处理，同上面的扩容一样，我们可以通过修改yaml文件方式来进行实现，这里就不赘述了，同样我们也可以使用命令set image 命令配合指定容器版本来实现，比如我们需要将我们的nginx从1.17.1版本提升到1.17.2版本：

# kubectl set image rs rs名称 容器名称=镜像版本 -n 命名空间

# kubectl set image rs rs-demo nginx=nginx:1.17.2 -n dev
replicaset.apps/rs-demo image updated

# kubectl get rs -n dev -o wide
NAME      DESIRED   CURRENT   READY   AGE   CONTAINERS   IMAGES         SELECTOR
rs-demo   3         3         3       42m   nginx        nginx:1.17.2   app=nginx

我们还可以随便查看一个Pod的描述信息，来获取这个Pod所属的控制器信息：

# kubectl describe pod rs-demo-qdvtz -n dev
Name:         rs-demo-qdvtz
Namespace:    dev
Priority:     0
Node:         node1/192.168.209.147
Start Time:   Mon, 20 Dec 2021 18:31:09 +0800
Labels:       app=nginx
Annotations:  cni.projectcalico.org/podIP: 192.168.166.137/32
              cni.projectcalico.org/podIPs: 192.168.166.137/32
Status:       Running
IP:           192.168.166.137
IPs:
  IP:           192.168.166.137
Controlled By:  ReplicaSet/rs-demo
...... 省略后面信息

另外被 ReplicaSet 持有的 Pod 有一个 metadata.ownerReferences 指针指向当前的 ReplicaSet，表示当前 Pod 的所有者，这个引用主要会被集群中的垃圾收集器使用以清理失去所有者的 Pod 对象。这个 ownerReferences 和数据库中的外键是不是非常类似。可以通过将 Pod 资源描述信息导出查看：

# kubectl get pod rs-demo-qdvtz -n dev -o yaml
......
  name: rs-demo-qdvtz
  namespace: dev
  ownerReferences:
  - apiVersion: apps/v1
    blockOwnerDeletion: true
    controller: true
    kind: ReplicaSet
    name: rs-demo
    uid: 46ef0dc8-03ac-4802-ac4a-aa0b7d4cad09
 ......

我们可以看到 Pod 中有一个 metadata.ownerReferences 的字段指向了 ReplicaSet 资源对象。如果要彻底删除 Pod，我们就只能删除 RS 对象：

 # 二者选一即可
 kubectl delete rs rs-demo     
 kubectl delete -f nginx-rs.yaml

Replication Controller

Replication Controller 简称 RC，实际上 RC 和 RS 的功能几乎一致，RS 算是对 RC 的改进，目前唯一的一个区别就是 RC 只支持基于等式的 selector（env=dev或environment!=qa），但 RS 还支持基于集合的 selector，这对复杂的运维管理就非常方便了。

比如上面资源对象如果我们要使用 RC 的话，对应的 selector 是这样的：

selector:
  app: nginx

RC 只支持单个 Label 的等式，而 RS 中的 Label Selector 支持 matchLabels 和 matchExpressions 两种形式：

selector:  
  matchLabels:
    app: nginx

---
selector:
  matchExpressions:  # 该选择器要求 Pod 包含名为 app 的标签
  - key: app
    operator: In
    values:  # 并且标签的值是nginx或者mysql
    - nginx 
    - mysql

总的来说 RS 是新一代的 RC，所以以后我们不使用 RC，直接使用 RS 即可，他们的功能都是一致的，但是实际上在实际使用中我们也不会直接使用 RS，而是使用更上层的类似于 Deployment 这样的资源对象。