为Docker Swarm添加调度策略

Swarm简介

Swarm是Docker的一个集群管理工具，最开始仅仅是用作集群管理以及简单的调度，就像下面的图所示的，为Docker Client提供与Docker Engine一样的Docker API，客户端操作Swarm就好像在操作一台机器，实际上后面连了好多Docker Engine，容器都跑在后面的Docker Engine上。Swarm负责将客户端的请求分配到后端的Docker Engine，比如客户端要求启动一个容器，Swarm找一个目前资源使用最少的Docker Engine。

因此早期的Swarm比较底层，有点像虚拟机管理器，抽象程度低。而Kubernetes（Google开源的容器管理工具）抽象了很多概念，比如Service,Pod等，更上层，稍微一封装就可以做成一个PaaS了。为了对抗Kubernetes，Docker也对Swarm做了升级改造，先是SwarmKit，抽象了Service,Task等，然后又把Swarmkit集成到了Docker Engine中，可以使用docker命令把一个结点设为swarm mode，然后这个结点就成了swarm集群的一个结点。因此最新的Swarm不再是一个工具，而是一个集群，我们把集群称作Swarm，然后这个集群里面有manager和worker两种角色，manager中有一个leader，通过Raft算法实现数据一致性。总之很多方面都抄了Kubernetes。

可以在Swarm集群中创建Service，而一个Service有多个实例，比如我创建一个tomcat的Service，名字是tomcat_service，使用的镜像是tomcat，然后创建3个实例，也就是启动3个容器，用下面的命令：

docker service create --name tomcat_service  --replicas 3 tomcat

在manager上执行这个命令，manager会把3个容器按调度策略分配到不同的worker上(manager也可以当做worker)。

swarm的调度策略是：在满足constraint的worker中找一个task（也就是容器数)最少的结点，这种策略叫做spread策略，就是尽可能的把task平均分布到不同结点。constraint是指一些必须满足的条件，比如某个task要求分配2G内存。

spread策略是没问题的，但是swarm在调度的时候没有把一项很重要的内容加进去，那就是实例的容灾。

我搭了一个3个结点的Swarm集群,manager1,worker1和worker2，创建了一个hello服务，有4个replica，一个world服务，有2个replica，如下：

看上去3个结点每个结点两个replica，挺好的，但是有一个严重的问题，world服务的两个replica被调度到同一台主机上，那么这台主机挂了，整个服务就挂了。其实replica的概念就是要在多个地方存放，以防止单主机出现问题导致服务不可用。比如HDFS的3个replica一般要放到不同机器上，甚至还要考虑不同机柜，不同机房。 Kubernetes在调度的时候也考虑了多个replica放到多台主机上的策略。 docker的开发人员目前只忙着出产品，没功夫去精雕细琢细节到地方，不过多个replica放到不同主机之后肯定是会加进去的。

本文介绍如何修改Docker 1.12的代码把replica容灾的策略加到Swarm调度策略中。

Swarm调度算法介绍

老的Swarm调度算法：

1. 一个调度请求过来，里面包含很多constraint，比如需要分配4G内存，或者要求必须调度上含有production标签的结点上，或者要求某个结点没有被占用。

2. 所有的结点作为一个List传到一个filter链里，这个filter会过滤掉不符合条件的结点，比如内存不够，输出一个符合条件的结点List

3. 按照策略进行排序，排名最高的就是要调度的结点

策略有三个：

spread: 默认策略，尽量均匀分布，找容器数少的结点调度

binpack: 和spread相反，尽量把一个结点占满再用其他结点

random: 随机

老的Swarm没有replica的概念，每个实例都是独立的个体，所以不需要在调度的时候考虑多副本部署到不同主机。 新的Swarm调度算法和老Swarm差不多，不过不再提供策略选择，只提供了spread策略。

新的Swarm把结点信息放到一个堆里(堆排序的堆)，以当前结点上的容器数为建堆的标准建一个最小堆，这样查找起来就特别快了。

代码改造

改造策略

最优解：对于一个task，找到的结点应该不含与这个task属于同一个service的task，同时这个结点在符合这个条件的结点中task数最少。

次优解：所有满足硬性constraint的结点都启动了与这个task属于同一个service的task，只能在这其中找一个task数最少的了。

代码修改

修改两个源文件就可以

修改代码docker/vendor/src/github.com/docker/swarmkit/manager/scheduler/indexed_node_heap.go

*添加一个函数，定义一个constraint称为multihostConstraint，意思是同一个service的不同副本要落到不同主机上，与其它强制性的constraint不一样，这个是尽量满足的constraint

//检查某个结点是否已经存在属于同一个service的task
func meetMultihosConstraint(nodeInfo *NodeInfo, serviceID string) bool {
    for _, task := range nodeInfo.Tasks {
        sID = task.ServiceID
        if sID == serviceID {
            return false
        }
    }
    return true
}

*修改搜索nodeHeap的函数searchHeapToFindMin，加一个参数serviceID

func (nh *nodeHeap) searchHeapToFindMin(
    meetsConstraints func(*NodeInfo) bool, 
    serviceID string) 
            (*api.Node, int) {
    var bestNode *api.Node  //满足multihostConstraint同时task最少的结点
    var secondBestNode *api.Node //没有满足multihostConstraint的，只能选一个task最少的结点
    minTasks := int(^uint(0) >> 1) // max int
    secondMinTasks := minTasks
 
    if nh == nil || len(nh.heap) == 0 {
        return bestNode, minTasks
    }
 
    // push root to stack for search
    stack := []int{0}
 
    for len(stack) != 0 {
        // pop an element
        idx := stack[len(stack)-1]
        stack = stack[0 : len(stack)-1]
        heapEntry := &nh.heap[idx]
        if len(heapEntry.Tasks) >= minTasks {
            continue
        }
 
        if meetsConstraints(heapEntry) {
 
            //满足强制性constraint，再检查是否满足multihostConstraint
            if meetMultihosConstraint(heapEntry, serviceID) == true {
                bestNode = heapEntry.Node
                minTasks = len(heapEntry.Tasks)
            } else {
                if(len(heapEntry.Tasks) < secondMinTasks) {
                    secondBestNode = heapEntry.Node
                    secondMinTasks = len(heapEntry.Tasks)
                }
            }
        } else {
            // otherwise, push 2 children to stack for further search
            if 2*idx+1 < len(nh.heap) {
                stack = append(stack, 2*idx+1)
            }
            if 2*idx+2 < len(nh.heap) {
                stack = append(stack, 2*idx+2)
            }
        }
    }
 
    if bestNode == nil {
        bestNode = secondBestNode
        minTasks = secondMinTasks
    }
 
    return bestNode, minTasks
 
}

修改代码docker/vendor/src/github.com/docker/swarmkit/manager/scheduler/scheduler.go里的scheduleTask函数

// scheduleTask schedules a single task.
func (s *Scheduler) scheduleTask(ctx context.Context, t *api.Task) *api.Task {
 s.pipeline.SetTask(t)
 //这个函数直接改成searchHeapToFindMin
 //s.scanAllNodes是是否扫描全部结点的标志，直接改成false
 //n, _ := s.nodeHeap.findMin(s.pipeline.Process, s.scanAllNodes)
 n,_  := s.nodeHeap.searchHeapToFindMin(s.pipeline.Process, false, t.ServiceID)