Kubernetes-4.Pods

• docker version：19.03.14
• kubernetes version：1.19.4

** 已了解Kubernetes的组成、安装、以及kubectl基本命令使用

本文概述Kubernetes中workloads资源控制器基本信息以及Pods资源的介绍。

目录

• workloads
• 资源控制器
  • 基础介绍
• Pods
  • 清单文件
    • 清单文件格式
    • 通过清单文件创建Pod
  • explain
• Pod的生命周期
  • Pod阶段
  • 容器状态
  • 容器重启策略
  • Pod状况
  • Pod的终止
    • 强制终止Pod
    • 失效Pod的垃圾收集
• 容器探针
  • 存活状态探针
  • 就绪状态探针
  • 启动状态探针
  • lifecycle
    • postStart
    • preStop

workloads

工作负载（workloads）是在Kubernetes上运行的应用程序。无论负载是单一组件还是有多个一同工作的组件构成，在Kubernetes中均可以在一组Pods中运行它。

在Kubernetes中，Pod代表的是集群上处于运行状态的一组容器。

Pods有确定的生命周期，使用中通常并不需要直接管理每个Pod。可以使用负载资源来管理一组Pods。这些资源配置控制器（controllers）来确保合适类型的、处于运行状态的Pod个数是正确的且与指定状态是相一致的。

资源控制器

Kubernetes常用资源、对象：

• Pods
• workloads资源
• 服务发现及均衡
• 配置与存储
• 集群级资源
• 元数据型资源

基础介绍

workload主要包含以下资源：

1. Deployment和ReplicaSet（替换ReplicationController）。Deployment很适合用来管理集群上的无状态应用。
2. StatefulSet。运行有状态应用控制器。
3. DaemonSet。定义提供节点本地支撑设施的Pods。
4. Job和Cronjob。定义一些一直运行到结束并停止的任务。Job为一次性任务，Cronjob为重复性任务。

服务发现及均衡资源：

1. Service
2. Ingress

存储与配置资源：

1. Volume
2. CSI（容器存储接口）
3. ConfigMap、Secret
4. DownwardAPI

集群级资源：

1. Namespace
2. Node
3. Role，ClusterRole
4. RoleBinding，ClusterRoleBinding

元数据型资源：

1. HPA
2. PodTamplate
3. LimitRange

Pods

Pods是在kubernetes中最小可部署的计算单元。

Pod是一组（一个或多个）容器。这些容器共享存储、网络、以及容器运行声明。

Pod类似于共享名称空间和文件系统卷的一组Docker容器。

每个Pod都运行给定应用程序的单个实例，希望横向扩展应用程序，则应该使用多个Pod，每个实例使用一个Pod，其被称为副本（Replication）。通常使用一种workload资源控制器来创建和管理一组Pod副本。

通过命令行使用的Pod操作基础

# 创建一个名称为nginx的pod，镜像为nginx:latest，默认存在于default名称空间
kubectl run nginx --image=nginx

# 查看；使用-O wide可查看详细信息；pod可简写为po
kubectl get po -o wide

# 为其创建一个服务（暴露端口）；--type可指为ClusterIP、NodePort，默认ClusterIP；--port即服务端口；--target-port即后端端口，--protocol即协议、默认TCP；--name即为此service指定名称，可选
kubectl expose po webapp --type=ClusterIP --port=30080 --target-port=80 --protocol=TCP --name=websvc

# 查看service可以看到刚才expose的服务端口；service可简写为svc；集群内任意主机可以通过ClusterIP:Port进行访问
kubectl get svc

# 删除此pod
kubectl delete po 

清单文件

通常使用时很少通过命令行进行创建，一般使用清单文件创建。

清单文件格式

通常使用yaml格式

• 在文件中字典可使用花括号，或换行缩进
• 在文件中列表数据可使用中括号或中划线
• 在一个文件中有多个yaml配置段使用三个中划线对其分隔

示例：

---
json:
- rigid
- better for data interchange
yaml:
- slim and flexible
- better for configuration
object:
  key: value
  array:
  - null_value: 
  - boolean: true
  - integer: 1
paragraph: |
  Blank lines denote
  paragraph breaks
content: |-
  Or we
  can auto
  convert line breaks
  to save space

通过清单文件创建Pod

示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-pod
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: webapp
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: web-port
      containerPort: 80
  restartPolicy: Never

创建此文件保存至demo-pod.yaml文件，通过命令行创建：

# 当第一次创建此资源可以使用create，当已有该名称的资源存在则不能使用create
kubectl create -f demo-pod.yaml

# 使用apply则资源不存在则创建，资源已存在则更新资源状态为文件中的配置
kubectl apply -f demo-pod.yaml

大部分清单文件的的字段：
apiVersion：使用Kubernetes的哪个API资源
kind：资源类别
metadata：元数据
spec：期望状态
status：当前状态；该字段由集群维护

以上示例解释：
apiVersion：指定API资源；Pod控制器使用的api为v1
kind：指定资源类别；Pod资源属于Pod类别
metadata.name：指定此Pod的名称
metadata.namespace：指定此Pod所属的名称空间
spec.containers.name：为容器指定名称
spec.containers.image：指定容器的镜像
spec.containers.imagePullPolicy：指定容器的镜像拉取策略；可使用值为Always、Never、IfNotPresent；
如果镜像的tag是latest则默认值是Always，非latest标签则默认为IfNotPresent；指定Always表示已存在镜像且标签且为latest则总是拉取最新的latest，指定为Never表示永不拉取镜像，指定为IfNotPresent表示不存在则拉取镜像
spec.containers.ports：声明容器要公开的端口列表
spec.containers.ports.name：声明容器要公开的端口的名称
spec.containers.ports.name.containerPort：容器要暴露的端口
spec.restartPolicy：重启策略；Always（默认）、OnFailure、Never

explain

列出支持的资源的字段，此命令描述每个支持的API资源的字段。

通过此命令可以查看清单文件定义时可以使用的资源、字段等详细内容。

kubectl explain RESOURCE [options]

# 列出pod资源spec字段下的子字段
kubectl explain pods.spec

# 列出secret资源支持的字段
kubectl explain secret

# 列出pod资源spec字段中containers下livenessProbe字段支持的字段
kubectl explain pod.spec.containers.livenessProbe

Pod的生命周期

Pod中创建一个容器可能会包含一些初始化容器（辅助容器），初始化容器完成工作后退出，而后主要容器启动，启动容器后可能会需要postStart等操作，结束过程前可能会需要preStop等操作；其生命周期中可能需要持续保持着livenessProbe及readinessProbe操作。

Pod阶段

Pod的status字段是一个PodStatus对象，其中包含一个phase字段。

Pod的阶段（Phase）是Pod在其生命周期中所处位置的简单宏观概述。

取值	描述
Pending	Pod 已被Kubernetes系统接受，但有一个或者多个容器尚未创建亦未运行。此阶段包括等待Pod被调度的时间和通过网络下载镜像的时间，
Running	Pod已经绑定到了某个节点，Pod中所有的容器都已被创建。至少有一个容器仍在运行，或者正处于启动或重启状态。
Succeeded	Pod中的所有容器都已成功终止，并且不会再重启。
Failed	Pod中的所有容器都已终止，并且至少有一个容器是因为失败终止。也就是说，容器以非0状态退出或者被系统终止。
Unknown	因为某些原因无法取得Pod的状态。这种情况通常是因为与Pod所在主机通信失败。

容器状态

Kubernetes会跟踪Pod中每个容器的状态，就像它跟踪Pod总体上的阶段（Phase）一样。

一旦调度器将Pod分配给某个节点，kubelet就通过容器运行时开始为Pod创建容器。容器的状态有三种：Waiting、Running、Terminated。

检查Pod中容器的状态，可使用kubectl describe pod <pod-name>

容器重启策略

Pod的spec字段中restartPolicy字段控制容器重启策略；其值为Always、OnFailure、Never，默认是Always。restartPolicy适用于Pod中的所有容器。

Pod状况

Pod的PodStatus对象，其中包含一个PodConditions属组。Pod可能通过也可能未通过其中的一些状况测试。

PodScheduled：Pod已经被调度到某节点；
ContainersReady：Pod中所有容器都已就绪；
Initialized：所有的Init容器都已成功启动；
Ready：Pod可以为请求提供服务，并且应该被添加到对应服务的负载均衡池中。

字段名称	描述
type	Pod状况的名称
status	表明该状况是否使用，可能的值为True、False、Unknown
lastProbeTime	上次探测Pod状况时的时间戳
lastTransitionTime	Pod上次从一种状态转换到另一种状态时的时间戳
reason	机器刻度的驼峰编码（UpperCamelCase）的文字，表述上次状况变换的原因
message	人类可读的消息，给出上次状况转换的详细

Pod的终止

终止Pod的过程：

1. 发送删除Pod请求，Pod的优雅终止期限默认值30秒。

2. 更新API服务器中的Pod对象，记录涵盖优雅终止限期在内Pod的最终死期。超出所计算时间则认为Pod已死（dead）。在Pod运行的节点上，kubelet一旦检测到Pod被标记为正在终止（Terminating ），则开始关闭在本节点上此Pod的进程。

   1 如果Pod中的任一容器定义了preStop回调，则开始运行此回调逻辑。如果超出了优雅终止限期，preStop仍在运行，则会给予该Pod一次性的宽限期（2秒）。如果preStop回调需要较长的时间，可以通过更改terminationGracePeriodSeconds属性值使其正常工作。
   2 kubelet发送TERM信号给每个容器中pid为1的进程

3. 从对应的端点列表、工作负载资源中移除该Pod，ReplicaSets不再将其视为能够提供服务的副本。

4. 超出终止宽限期限时，kubelet会触发强制关闭过程。容器运行时会向Pod中所有容器内仍在运行的进程发送SIGKILL信号。 kubelet也会清理隐藏的pause容器（如果有）。

5. kubelet触发强制从API服务器上删除Pod对象的逻辑，并将优雅终止期限设置为0（意味着马上删除）。

6. API服务器删除Pod的API对象。

强制终止Pod

默认情况下，所有的删除操作都会附有30秒钟的宽限期限。 kubectl delete命令支持--grace-period=<seconds>选项，允许重载默认值，设定自己希望的期限值。

将宽限期限强制设置为0意味着立即从API服务器删除Pod。

必须在设置--grace-period=0的同时额外设置--force参数才能发起强制删除请求。

执行强制删除操作时，API服务器不再等待来自kubelet的、关于Pod已经在原来运行的节点上终止执行的确认消息。API服务器直接删除Pod对象，这样新的与之同名的Pod即可以被创建。在节点侧，被设置为立即终止的Pod仍然会在被强行杀死之前获得一点点的宽限时间。

失效Pod的垃圾收集

对于已失败的Pod而言，对应的API对象仍然会保留在集群的API服务器上，直到用户或者控制器进程显式地将其删除。

控制面组件会在Pod个数超出所配置的阈值（根据kube-controller-manager的 terminated-pod-gc-threshold设置）时删除已终止的Pod（阶段值为Succeeded或Failed）。这一行为会避免随着时间演进不断创建和终止Pod而引起的资源泄露问题。

容器探针

Probe是由kubelet对容器执行的定期诊断。要执行诊断，kubelet调用由容器实现的Handler（处理程序）。有三种类型的处理程序：

ExecAction：在容器内执行指定命令。如果命令退出时返回码为0则认为诊断成功。
TCPSocketAction：对容器的IP地址上的指定端口执行TCP检查。如果端口打开，则诊断被认为是成功的。
HTTPGetAction：对容器的IP地址上指定端口和路径执行HTTP Get请求。如果响应的状态码大于等于200且小于400，则诊断被认为是成功的。

每次探测都将获得以下三种结果之一：
Success：容器通过了诊断。
Failure：容器未通过诊断。
Unknown：诊断失败，因此不会采取任何行动。

针对运行中的容器，kubelet可以选择是否执行一下三种探针，以及如何针对探测结果作出反应：
livenessProbe：存活状态探测；指示容器是否正在运行。如果探测失败，则kubelet会杀死容器，并且容器将根据其重启策略决定未来。如果不指定存活状态探针，则默认状态为Success。
readinessProbe：就绪状态探测；指示容器是否准备好为请求提供服务。如果探测失败，端点控制器将从与Pod匹配的所有服务的端点列表中删除该Pod的IP地址（即未准备就绪不会将其加入到service的后端）。初始延迟之前的就绪状态值默认为Failure。如果容器不提供就绪状态探针，则默认状态为Success。
startupProbe：启动状态探测；指示容器中的应用是否已经启动。如果提供了启动探针，则所有其它探针都会被禁用，直到此探针成功为止。如果启动探测失败，kubelet将杀死容器，以其重启策略重启。如果容器没有提供启动探测探针，则默认状态为Success。

存活状态探针

如果容器因为进程遇到问题的情况下自行崩溃，则不一定需要存活状态探针。
如果希望的是容器在探测失败时被杀死并重启，这种情况下就应当使用存活状态探针，并且指定容器重启策略。

常用参数：
pod.spec.containers.livenessProbe：启用livenessProbe
pod.spec.containers.livenessProbe.exec：使用命令方式探测，见#容器探针#ExecAction内容
pod.spec.containers.livenessProbe.httpGet：使用http get方式探测，见#容器探针#HTTPGetAction内容
pod.spec.containers.livenessProbe.tcpSocket：使用TCP Socket方式探测，见#容器探针#TCPSocketAction内容
pod.spec.containers.livenessProbe.initialDelaySeconds：延迟探测时间
pod.spec.containers.livenessProbe.periodSeconds：探测时间间隔，默认10s
pod.spec.containers.livenessProbe.successThreshold：成功N次则将状态装换为成功，默认1，最小1
pod.spec.containers.livenessProbe.failureThreshold：失败N次则将状态装换为失败，默认1，最小1
pod.spec.containers.livenessProbe.timeoutSeconds：探测超时时间（秒），默认1，最小1

示例：
使用存活探针探测某个文件是否存在，不存在则视为故障，使其重启且生成此文件。

根据清单文件创建此pod，观察其信息（kubectl describe po liveness-exec pod）中的Events，经过一定次数的探测后，其会提示Liveness probe failed，而后重启此Pod中的容器。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: liveness-exec-pod
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: liveness-exec-container
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command: ["/bin/sh", "-c", "touch /tmp/healthy; sleep 60; rm -f /tmp/healthy; sleep 3600"]
    livenessProbe:
      exec:
        command: ["test", "-e", "/tmp/healthy"]
      initialDelaySeconds: 3
      periodSeconds: 5
  restartPolicy: OnFailure

就绪状态探针

就绪状态探针的存在意味着Pod将在启动阶段不接收任何数据，并且只有在就绪状态探针探测成功后才开始接收数据。

假如容器需要在启动时加载大量数据、配置文件或应用初始化等操作，则应当使用就绪状态探针。

常用参数：
pod.spec.containers.readinessProbe：启用readinessProbe
其它参数同livenessProbe

示例：
使用就绪状态探针探测Web服务是否准备就绪，就绪后才开始接受请求。

创建此Pod，观察其READY状态（kubelet get po readiness-httpget-pod），在指定的就绪状态检测次数总和判定为成功之前和之后，其状态变化，则是readinessProbe探针状态的变化。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: readiness-httpget-pod
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: readiness-httpget-container
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    readinessProbe:
      httpGet:
        port: 80
      initialDelaySeconds: 3
      periodSeconds: 5
  restartPolicy: Never

启动状态探针

对于所包含的容器需要较长时间才能启动就绪的Pod而言，则应当使用启动探针。如果容器启动时间通常超出initialDelaySeconds + failureThreshold × periodSeconds总值，则应该设置一个启动探测。

periodSeconds的默认值是10秒。应该将其failureThreshold设置得足够高，以便容器有充足的时间完成启动，并且避免更改存活态探针所使用的默认值。这一设置有助于减少死锁状况的发生。

常用参数：
pod.spec.containers.startupProbe： 启用startupProbe
其它参数同livenessProbe

lifecycle

在Pod的生命周期中，还存在postStart和preStop两个处理函数。
postStart：当一个容器启动后，立即执行postStart事件
preStop：在容器被终结之前，执行preStop事件

postStart

注意：spec.containers.command执行顺序优先于postStart中的exec.command

常用参数：
pod.spec.containers.lifecycle.postStart：启用postStart
pod.spec.containers.lifecycle.postStart.exec：使用命令行执行事件
pod.spec.containers.lifecycle.postStart.httGet：使用http get方法执行事件
pod.spec.containers.lifecycle.postStart.tcpSocket：使用TCP Socket方法执行事件

示例：
创建一个postStart事件，在容器启动后做一些操作

创建此Pod，而后访问其/hello.html文件，则证实postStart处理的事件

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: poststart-pod
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: poststart-pod
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    readinessProbe:
      httpGet:
        port: 80
        path: /hello.html
      initialDelaySeconds: 3
      periodSeconds: 5
    lifecycle:
      postStart:
        exec:
          command: ["/bin/sh", "-c", "echo HelloWebServer >>/usr/share/nginx/html/hello.html"]
  restartPolicy: Never

preStop

pod.spec.containers.lifecycle.preStop：启用preStop
其它同postStart