Kubernetes API 编程利器：Operator 和 Operator Framework

本文整理自《CNCF x Alibaba 云原生技术公开课》第 24 讲，点击“阅读原文”直达课程页面。

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导读：本文将从实践出发，结合案例来说明，如何借助 Operator 开发框架来扩展 Kubernetes API。内容主要分为三个部分：首先会简单介绍一下 Operator 相关的知识；然后会介绍 Operator 开发框架并结合案例来详细说明整个开发过程；最后会结合案例的工作流程来重新说明 Operator 是如何工作的。

一、operator 概述

基本概念

首先介绍一下本文内容所涉及到的基本概念。

• CRD (Custom Resource Definition): 允许用户自定义 Kubernetes 资源，是一个类型；
• CR (Custom Resourse): CRD 的一个具体实例；
• webhook: 它本质上是一种 HTTP 回调，会注册到 apiserver 上。在 apiserver 特定事件发生时，会查询已注册的 webhook，并把相应的消息转发过去。

按照处理类型的不同，一般可以将其分为两类：一类可能会修改传入对象，称为 mutating webhook；一类则会只读传入对象，称为 validating webhook。

• 工作队列: controller 的核心组件。它会监控集群内的资源变化，并把相关的对象，包括它的动作与 key，例如 Pod 的一个 Create 动作，作为一个事件存储于该队列中；
• controller :它会循环地处理上述工作队列，按照各自的逻辑把集群状态向预期状态推动。不同的 controller 处理的类型不同，比如 replicaset controller 关注的是副本数，会处理一些 Pod 相关的事件；
• operator:operator 是描述、部署和管理 kubernetes 应用的一套机制，从实现上来说，可以将其理解为 CRD 配合可选的 webhook 与 controller 来实现用户业务逻辑，即 operator = CRD + webhook + controller。

常见的 operator 工作模式

工作流程：

1. 用户创建一个自定义资源 (CRD)；
2. apiserver 根据自己注册的一个 pass 列表，把该 CRD 的请求转发给 webhook；
3. webhook 一般会完成该 CRD 的缺省值设定和参数检验。webhook 处理完之后，相应的 CR 会被写入数据库，返回给用户；
4. 与此同时，controller 会在后台监测该自定义资源，按照业务逻辑，处理与该自定义资源相关联的特殊操作；
5. 上述处理一般会引起集群内的状态变化，controller 会监测这些关联的变化，把这些变化记录到 CRD 的状态中。

这里是从 High-Level 大概介绍一下，后面会结合案例重新梳理。

二、operator framework 实战

operator framework 概述

在开始之前，首先介绍一下 operator framework。 它实际上给用户提供了 webhook 和 controller 的框架，它的主要意义在于帮助开发者屏蔽了一些通用的底层细节，不需要开发者再去实现消息通知触发、失败重新入队等，只需关注被管理应用的运维逻辑实现即可。

主流的 operator framework 主要有两个：kubebuilder 和 operator-sdk。

两者实际上并没有本质的区别，它们的核心都是使用官方的 controller-tools 和 controller-runtime。不过细节上稍有不同，比如 kubebuilder 有着更为完善的测试与部署以及代码生成的脚手架等；而 operator-sdk 对 ansible operator 这类上层操作的支持更好一些。

kuberbuildere 实战

这里的实战选用的是 kuberbuilder。案例选用的是阿里云对外开放的 kruise 项目下的 SidercarSet。

SidercarSet 的功能就是负责给 Pod 插入 sidecar 容器（也称为辅助容器），例如可以插入一些监控，日志采集来丰富这个 Pod 的功能，然后根据插入的状态、Pod 的状态反过来更新 SidercarSet 以记录这些辅助容器的状态。

Step 1: 初始化

操作：新建一个 gitlab 项目，运行 "kubebuilder init --domain=kruise.io"。

参数解读：domain 指定了后续注册 CRD 对象的 Group 域名。

效果解读：拉取依赖代码库、生成代码框架、生成 Makefile/Dockerfile 等工具文件。

我们来看一下它具体生成的内容_(为了方便演示，实际生成文件做了部分删减)：

具体的内容大家可以在实战的时候自己进行详细的确认。

Step 2: 创建 API

操作：运行 "kubebuilder create api --group apps --version v1alpha1 --kind SidecarSet --namespace=false"
实际上不仅会创建 API，也就是 CRD，还会生成 Controller 的框架。

参数解读：- group 加上之前的 domian 即此 CRD 的 Group: apps.kruise.io；

• version 一般分三种，按社区标准：

  • v1alpha1: 此 api 不稳定，CRD 可能废弃、字段可能随时调整，不要依赖；
  • v1beta1: api 已稳定，会保证向后兼容，特性可能会调整；
  • v1: api 和特性都已稳定；
• kind: 此 CRD 的类型，类似于社区原生的 Service 的概念；
• namespaced: 此 CRD 是全局唯一还是 namespace 唯一，类似 node 和 Pod。

它的参数基本可以分为两类。group, version, kind 基本上对应了 CRD 元信息的三个重要组成部分。这里给出了一些常见的标准，大家实际使用的时候可以参考一下。namespaced 则用于指定我们刚刚创建的 CRD 时全局唯一的（如 node）还是 namespace 唯一的（如 Pod）。这里用了 false，即指定 SidecarSet 为全局唯一的。

效果解读：

生成了 CRD 和 controller 的框架，后面需要手工填充代码。

实际结果如下图所示：

我们重点关注是图中蓝色字体部分。sidecarset_types.go 就是定义 CRD 的地方，需要我们填充。sidecarset_controller.go 则用于定义 controller，同样需要进行填充。

Step 3: 填充 CRD

1. 生成的 CRD 位于 "pkg/apis/apps/v1alpha1/sidecarset_types.go"，通常需要进行如下两个操作：

(1) 调整注释

code generator 依赖注释生成代码，因此有时需要调整注释。以下列出了本次实战中 SidecarSet 需要调整的注释：

+genclient:nonNamespaced: 生成非 namespace 对象；
+kubebuilder:subresource:status: 生成 status 子资源；
+kubebuilder:printcolumn:name="MATCHED",type='integer',JSONPath=".status.matchedPods",description="xxx": kubectl get sidecarset： 后续展示相关。

(2) 填充字段

填充字段是令用户的 CRD 实际生效、实际有意义的重要部分。

• SidecarSetSpec: 填充 CRD 描述信息；
• SidecarSetStatus: 填充 CRD 状态信息。

 2. 填充完运行 make 重新生成代码即可

需要注意的是，研发人员无需参与 CRD 的 grpc 接口、编解码等 controller 的底层实现。

实际的填充如下图所示：

SidecarSet 的功能是给 Pod 注入 Sidecar，为了完成该功能，我们在 SidecarSetSpec（左图） 定义了两个主要信息：一个是用于选择哪些 Pod 需要被注入的 Selector；一个是定义 Sidecar 容器的 Containers。

在 SidecarSetStatus（右图）中定义了状态信息，MatchedPods 反映的是该 SidecarSet 实际匹配了多少 Pod，UpdatedPods 反映的是已经注入了多少，ReadyPods 反映的则是有多少 Pod 已经正常工作了。

完整的内容可以参考该文档。

Step 4: 生成 webhook 框架

1. 生成 mutating webhook，运行：

"kubebuilder alpha webhook --group apps --version v1alpha1 --kind SidecarSet --type=mutating --operations=create"

"kubebuilder alpha webhook --group core --version v1 --kind Pod --type=mutating --operations=create"

2. 生成 validating webhook，运行：

"kubebuilder alpha webhook --group apps --version v1alpha1 --kind SidecarSet --type=validating --operations=create,update"

参数解读：

• group/kind 描述需要处理的资源对象；
• type 描述需要生成哪种类型的框架；
• operations 描述关注资源对象的哪些操作。

效果解读：

• 生成了 webhook 框架，后面需要手工填充代码

实际生成结果如下图所示：

我们执行了三条命令，分别生成了三个不同的需要填充的 handler 中（上图蓝色字体部分）。这里先不提，在下一步填充操作中再对其详细讲解。

Step 5: 填充 webhook

生成的 webhook handler 分别位于：

• • pkg/webhook/default_server/sidecarset/mutating/xxx_handler.go
• • pkg/webhook/default_server/sidecarset/validating/xxx_handler.go
• • pkg/webhook/default_server/pod/mutating/xxx_handler.go

需要改写、填充的一般包括以下两个部分： 

• 是否需要注入 K8s client：取决于除了传入的 CRD 以外是否还需要其它资源。在本实战中，不仅要关注 SidecarSet，同时还要注入 Pod，因此需要注入 K8s client；
• 填充 webhook 的关键方法：即 mutatingSidecarSetFn 或 validatingSidecarSetFn。由于待操作资源对象指针已经传入，因此直接调整该对象属性即可完成 hook 的工作。

我们来看一下实际的填充结果。

因为第四步我们定义了三个：sidecarset mutating、sidecarset mutaing、pod mutating。

先来看上图左侧的 sidecarset mutating，首先是 setDefaultSidecarSet 把默认值设置好，这也是 mutaing 最常做的事情。

上图右侧 validating 也是非常的标准，也是对 SidecarSet 一些字段进行校验。

关于 pod mutaing 这里没有做展示，这里面有些不同，这里面的 mutaingSidecarSetFn 不是进行默认值设置，而是获取 setDefaultSidecarSet 的数值，然后注入到 Pod 里面。

Step 6: 填充 controller

生成的 controller 框架位于 pkg/controller/sidecarset/sidecarset_controller.go。主要有三点需要进行修改： 

• 修改权限注释。框架会自动生成形如 //+kuberbuilder:rbac;groups=apps,resources=deployments/status,verbs=get;update;path 的注释，我们可以按照自己的需求修改，该注释最终会生成 rbac 规则；

• 增加入队逻辑。缺省的代码框架会填充 CRD 本身的入队逻辑（如 SidecarSet 对象的增删改都会加入工作队列），如果需要关联资源对象的触发机制（如 SidecarSet 也需关注 Pod 的变化），则需手工新增它的入队逻辑；

• 填充业务逻辑。修改 Reconcile 函数，循环处理工作队列。Reconcile 函数主要完成「根据 Spec 完成业务逻辑」和「将业务逻辑结果反馈回 status」两部分。需要注意的是，如果 Reconcile 函数出错返回 err，默认会重新入队。

我们来看一下 SidecarSet 的 Controller 的填充结果：

addPod 中先取回该 Pod 对应的 SidecarSet 并将其加入队列以便 Reconcile 进行处理。

Reconcile 将 SidercarSet 取出之后，根据 Selector 选择匹配的 Pod，最后根据 Pod 当前的状态信息计算出集群的状态，然后回填到 CRD 的状态中。

三、SidecarSet 的工作流程

最后我们再来重新梳理一下 SidecarSet 的工作流程以便我们理解 operator 是如何工作的。

1. 用户创建一个 SidecarSet；
2. webhook 收到该 SidecarSet 之后，会进行缺省值设置和配置项校验。这两个操作完成之后，会完成真正的入库，并返回给用户；
3. 用户创建一个 Pod；
4. webhook 会拿回对应的 SidecarSet，并从中取出 container 注入 Pod 中，因此 Pod 在实际入库时就已带有了刚刚的 sidecar；
5. controller 在后台不停地轮询，查看集群的状态变化。第 4 步中的注入会触发 SidecarSet 的入队，controller 就会令 SidecarSet 的 UpdatedPods 加 1。

以上就是 SidecarSet 前期一个简单的功能实现。

这里我们再补充一个问题。一般的 webhook 由 controller 来完成业务逻辑、状态更新，但这个不是一定的，两者之一可以不是必须的。在以上的示例中就是由 webhook 完成主要的业务逻辑，无需 controller 的参与。

四、本文总结

本文的主要内容就到此为止了，这里为大家简单总结一下：

• Operator 是 CRD 配合 可选的 webhook 和 controller，在 Kubernetes 体系下扩展用户业务逻辑的一套机制；
• kubebuilder 是社区认可度很高的一种官方、标准化 Operator 框架；
• 按照上文实战步骤，填充用户自定义代码，就可以很方便的实现一个 Operator。

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