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Pod控制器

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2025-09-04

Pod控制器

1 控制器介绍

1.1 控制器的必要性

自主式Pod对象由调度器调度到目标工作节点后即由相应节点上的kubelet负责监控其容器的存活状态，容器主进程崩溃后，kubelet能够自动重启相应的容器。但对出现非主进程崩溃类的容器错误却无从感知，这便依赖于pod资源对象定义的存活探测，以便kubelet能够探知到此类故障。但若pod被删除或者工作节点自身发生故障（工作节点上都有kubelet，kubelet不可用，因此其健康状态便无法保证），则便需要控制器来处理相应的容器重启和配置。

1.2 常见的工作负载控制器

Pod控制器由master的kube-controller-manager组件提供，常见的此类控制器有：

ReplicationController

**ReplicaSet：**代用户创建指定数量的pod副本数量，确保pod副本数量符合预期状态，并且支持滚动式自动扩容和缩容功能

**Deployment：**工作在ReplicaSet之上，用于管理无状态应用，目前来说最好的控制器。支持滚动更新和回滚功能，还提供声明式配置。

**DaemonSet：用于确保集群中的每一个节点只运行特定的pod副本，常用于实现系统级后台任务。比如ELK服务

**StatefulSet：**管理有状态应用

**Job：**只要完成就立即退出，不需要重启或重建

**CronJob：**周期性任务控制，不需要持续后台运行

1.3 Pod控制器概述

Kubernetes的核心功能之一还在于要确保各资源对象的当前状态（status）以匹配用户期望的状态（spec），使当前状态不断地向期望状态“和解”（reconciliation）来完成容器应用管理。而这些则是kube-controller-manager的任务。

创建为具体的控制器对象之后，每个控制器均通过API Server提供的接口持续监控相关资源对象的当前状态，并在因故障、更新或其他原因导致系统状态发生变化时，尝试让资源的当前状态想期望状态迁移和逼近。

List-Watch是kubernetes实现的核心机制之一，在资源对象的状态发生变动时，由API Server负责写入etcd并通过水平触发（level-triggered）机制主动通知给相关的客户端程序以确保其不会错过任何一个事件。控制器通过API Server的watch接口实时监控目标资源对象的变动并执行和解操作，但并不会与其他控制器进行任何交互。

1.4 Pod和Pod控制器

Pod控制器资源通过持续性地监控集群中运行着的Pod资源对象来确保受其管控的资源严格符合用户期望的状态，例如资源副本的数量要精确符合期望等。通常，一个Pod控制器资源至少应该包含三个基本的组成部分：

标签选择器：匹配并关联Pod资源对象，并据此完成受其管控的Pod资源计数。

期望的副本数：期望在集群中精确运行着的Pod资源的对象数量。

Pod模板：用于新建Pod资源对象的Pod模板资源。

2 ReplicaSet控制器

2.1 ReplicaSet概述

ReplicaSet是取代早期版本中的ReplicationController控制器，其功能基本上与ReplicationController相同

ReplicaSet（简称RS）是Pod控制器类型的一种实现，用于确保由其管控的Pod对象副本数在任意时刻都能精确满足期望的数量。ReplicaSet控制器资源启动后会查找集群中匹配器标签选择器的Pod资源对象，当前活动对象的数量与期望的数量不吻合时，多则删除，少则通过Pod模板创建以补足。

ReplicaSet能够实现以下功能：

  • 确保Pod资源对象的数量精确反映期望值：ReplicaSet需要确保由其控制运行的Pod副本数量精确吻合配置中定义的期望值，否则就会自动补足所缺或终止所余。
  • **确保Pod健康运行：**探测到由其管控的Pod对象因其所在的工作节点故障而不可用时，自动请求由调度器于其他工作节点创建缺失的Pod副本。
  • **弹性伸缩：**可通过ReplicaSet控制器动态扩容或者缩容Pod资源对象的数量。必要时还可以通过HPA控制器实现Pod资源规模的自动伸缩。

2.2 创建ReplicaSet

2.2.1 核心字段

spec字段一般嵌套使用以下几个属性字段：

replicas	<integer>：指定期望的Pod对象副本数量
selector	<Object>：当前控制器匹配Pod对象副本的标签选择器，支持matchLabels和matchExpressions两种匹配机制
template	<Object>：用于定义Pod时的Pod资源信息
minReadySeconds	<integer>：用于定义Pod启动后多长时间为可用状态，默认为0秒

2.2.2 ReplicaSet示例

2.2.3 更新ReplicaSet控制器

修改Pod模板：升级应用

修改上面创建的replicaset示例文件，将镜像ikubernetes/myapp:v1改为v2版本

扩容和缩容

可以直接通过vim 编辑清单文件修改replicas字段，也可以通过kubect edit 命令去编辑。kubectl还提供了一个专用的子命令scale用于实现应用规模的伸缩，支持从资源清单文件中获取新的目标副本数量，也可以直接在命令行通过“--replicas”选项进行读取。

2.2.4 删除ReplicaSet控制器资源

使用Kubectl delete命令删除ReplicaSet对象时默认会一并删除其管控的各Pod对象，有时，考虑到这些Pod资源未必由其创建，或者即便由其创建也并非自身的组成部分，这时候可以添加“--cascade=false”选项，取消级联关系。

3 Deployment控制器

3.1 Deployment概述

Deployment(简写为deploy)是kubernetes控制器的又一种实现，它构建于ReplicaSet控制器之上，可为Pod和ReplicaSet资源提供声明式更新。

Deployment控制器资源的主要职责是为了保证Pod资源的健康运行，其大部分功能均可通过调用ReplicaSet实现，同时还增添部分特性。

  • 事件和状态查看：必要时可以查看Deployment对象升级的详细进度和状态。
  • 回滚：升级操作完成后发现问题时，支持使用回滚机制将应用返回到前一个或由用户指定的历史记录中的版本上。
  • 版本记录：对Deployment对象的每一个操作都予以保存，以供后续可能执行的回滚操作使用。
  • 暂停和启动：对于每一次升级，都能够随时暂停和启动。
  • 多种自动更新方案：一是Recreate，即重建更新机制，全面停止、删除旧有的Pod后用新版本替代；另一个是RollingUpdate，即滚动升级机制，逐步替换旧有的Pod至新的版本。

3.2 创建Deployment

Deployment其核心资源和ReplicaSet相似

3.3 更新策略

ReplicaSet控制器的应用更新需要手动分成多步并以特定的次序进行，过程繁杂且容易出错，而Deployment却只需要由用户指定在Pod模板中要改动的内容，（如镜像文件的版本），余下的步骤便会由其自动完成。Pod副本数量也是一样。

Deployment控制器支持两种更新策略：滚动更新（rollingUpdate）和重建创新（Recreate），默认为滚动更新

  • 滚动更新（rollingUpdate）：即在删除一部分旧版本Pod资源的同时，补充创建一部分新版本的Pod对象进行应用升级，其优势是升级期间，容器中应用提供的服务不会中断，但更新期间，不同客户端得到的相应内容可能会来自不同版本的应用。
  • 重新创建（Recreate）：即首先删除现有的Pod对象，而后由控制器基于新模板重行创建出新版本的资源对象。

Deployment控制器的滚动更新操作并非在同一个ReplicaSet控制器对象下删除并创建Pod资源，新控制器的Pod对象数量不断增加，直到旧控制器不再拥有Pod对象，而新控制器的副本数量变得完全符合期望值为止。如图所示

img

滚动更新时，应用还要确保可用的Pod对象数量不低于某阀值以确保可以持续处理客户端的服务请求，变动的方式和Pod对象的数量范围将通过kubectl explain deployment.spec.strategy.rollingUpdate.maxSurge和kubectl explain deployment.spec.strategy.rollingUpdate.maxUnavailable两个属性同时进行定义。其功能如下：

  • maxSurge：指定升级期间存在的总Pod对象数量最多可超出期望值的个数，其值可以是0或正整数，也可以是一个期望值的百分比；例如，如果期望值为3，当前的属性值为1，则表示Pod对象的总数不能超过4个。
  • maxUnavailable：升级期间正常可用的Pod副本数（包括新旧版本）最多不能低于期望值的个数，其值可以是0或正整数，也可以是期望值的百分比；默认值为1，该值意味着如果期望值是3，则升级期间至少要有两个Pod对象处于正常提供服务的状态。

img

maxSurge和maxUnavailable属性的值不可同时为0，否则Pod对象的副本数量在符合用户期望的数量后无法做出合理变动以进行滚动更新操作。

Deployment控制器可以保留其更新历史中的旧ReplicaSet对象版本，所保存的历史版本数量由kubectl explain deployment.spec.revisionHistoryLimit参数指定。只有保存于revision历史中的ReplicaSet版本可用于回滚。

注：为了保存版本升级的历史，需要在创建Deployment对象时于命令中使用“--record”选项。

3.4 Deployment更新升级

修改Pod模板相关的配置参数便能完成Deployment控制器资源的更新。由于是声明式配置，因此对Deployment控制器资源的修改尤其适合使用apply和patch命令来进行；如果仅只是修改容器镜像，“set image”命令更为易用。

1）首先通过set image命令将上面创建的Deployment对象的镜像版本改为v2版本

2）Deployment扩容

3.5 金丝雀发布

采用先添加再删除的方式，且可用Pod资源对象总数不低于期望值的方式进行，配置如下：

1）添加其总数多余期望值一个

[root@k8s-master ~]# kubectl patch deployment deploy-demo -p '{"spec":{"strategy":{"rollingUpdate":{"maxSurge":1,"maxUnavailable":0}}}}'
deployment.extensions/deploy-demo patched

2）启动更新过程，在修改相应容器的镜像版本后立即暂停更新进度。

3.6 回滚Deployment控制器下的应用发布

若因各种原因导致滚动更新无法正常进行，如镜像文件获取失败，等等；则应该将应用回滚到之前的版本，或者回滚到指定的历史记录中的版本。则通过kubectl rollout undo命令完成。如果回滚到指定版本则需要添加--to-revision选项

1）回到上一个版本

[root@k8s-master ~]# kubectl rollout undo deployment/deploy-demo
deployment.extensions/deploy-demo rolled back
[root@k8s-master ~]# kubectl get pods -o custom-columns=Name:metadata.name,Image:spec.containers[0].image
Name                           Image
deploy-demo-78c84d4449-2xspz   ikubernetes/myapp:v1
deploy-demo-78c84d4449-f8p46   ikubernetes/myapp:v1
deploy-demo-78c84d4449-mnmvc   ikubernetes/myapp:v1
deploy-demo-78c84d4449-tsl7r   ikubernetes/myapp:v1
deploy-demo-78c84d4449-xdt8j   ikubernetes/myapp:v1

2）回滚到指定版本

4 DaemonSet控制器

4.1 DaemonSet概述

DaemonSet用于在集群中的全部节点上同时运行一份指定Pod资源副本，后续新加入集群的工作节点也会自动创建一个相关的Pod对象，当从集群移除借点时，此类Pod对象也将被自动回收而无需重建。管理员也可以使用节点选择器及节点标签指定仅在具有特定特征的节点上运行指定的Pod对象。

应用场景

  • 运行集群存储的守护进程，如在各个节点上运行glusterd或ceph。
  • 在各个节点上运行日志收集守护进程，如fluentd和logstash。
  • 在各个节点上运行监控系统的代理守护进程，如Prometheus Node Exporter、collectd、Datadog agent、New Relic agent和Ganglia gmond等。

4.2 创建DaemonSet

DaemonSet控制器的spec字段中嵌套使用的相同字段selector、template和minReadySeconds，并且功能和用法基本相同，但它不支持replicas，因为毕竟不能通过期望值来确定Pod资源的数量，而是基于节点数量。

这里使用nginx来示例，生产环境就比如使用上面提到的logstash等。

通过上面验证查看，Node-Selector字段的值为空，表示它需要运行在集群中的每个节点之上。而当前的节点数是2个，所以其期望的Pod副本数（Desired Number of Nodes Scheduled）为2，而当前也已经创建了2个相关的Pod对象。

注意

对于特殊的硬件的节点来说，可能有的运行程序只需要在某一些节点上运行，那么通过Pod模板的spec字段中嵌套使用nodeSelector字段，并确保其值定义的标签选择器与部分特定工作节点的标签匹配即可。

4.3 更新DaemonSet对象

DaemonSet自Kubernetes1.6版本起也开始支持更新机制，相关配置嵌套在kubectl explain daemonset.spec.updateStrategy字段中。其支持RollingUpdate（滚动更新）和OnDelete（删除时更新）两种策略，滚动更新为默认的更新策略。

通过上面查看可以看出，默认的滚动更新策略是一次删除一个工作节点上的Pod资源，待其最新版本Pod重建完成后再开始操作另一个工作节点上的Pod资源。

DaemonSet控制器的滚动更新机制也可以借助于minReadySeconds字段控制滚动节奏；必要时也可以执行暂停和继续操作。其也可以进行回滚操作。

5 StatefulSet控制器

前面使用Deployment创建的Pod是无状态的，当挂载了volume之后，如果该Pod挂了，Replication Controller会再启动一个Pod来保证可用性，但是由于Pod是无状态的，pod挂了就会和之前的Volume的关系断开，新创建的Pod无法找到之前的Pod。但是对于用户来说，他们对底层的Pod挂了是没有感知的，但是当Pod挂了之后就无法再使用之前挂载的存储卷。为了解决这一问题，就引入了StatefulSet用于保留Pod的状态信息。

StatefulSet是Pod资源控制器的一种实现，用于部署和扩展有状态应用的Pod资源，确保它们的运行顺序及每个Pod资源的唯一性。其应用场景包括：

  • 稳定的持久化存储，即Pod重新调度后还是能访问到相同的持久化数据，基于PVC来实现。
  • 稳定的网络标识，即Pod重新调度后其PodName和HostName不变，基于Headless Service（即没有Cluster IP的Service）来实现
  • 有序部署，有序扩展，即Pod是有顺序的，在部署或者扩展的时候要依据定义的顺序依次进行（即从0到N-1，在下一个Pod运行之前的所有之前的Pod必须都是Running和Ready状态），基于init Containers来实现
  • 有序收缩，有序删除（即从N-1到0）

StatefulSet由以下几个部分组成：

  • 用于定义网络标志（DNS domain）和Headless Service
  • 用于创建PersistentVolumes和VolumeClaimTemplates
  • 定义具体应用的StatefulSet

StatefulSet中的每个Pod的DNS格式为statefulSetName-{0..N-1}.serviceName.namespace.svc.cluster.local，其中

  • serviceName：为Headless Service的名字
  • 0..N-1：为Pod所在的序号，从0开始到N-1
  • statefulSetName：为StatefulSet的名字
  • namespace：为服务所在的namaspace，Headless Service和StatefulSet必须在相同的namespace
  • .cluster.local：为Cluster Domain

5.1 为什么要有headless？

在Deployment中，每一个pod是没有名称，是随机字符串，是无序的。而statefulSet中是要求有序的，每一个Pod的名称必须是固定的。当节点挂了，重建之后的标识符是不变的，每一个节点的节点名称是不会改变的。Pod名称是作为Pod识别的唯一标识符，必须保证其标识符的稳定并且唯一。

为了实现标识符的稳定，这时候就需要一个headless service解析直达到Pod，还需要给Pod配置一个唯一的名称。

5.2 为什么要有volumeClainTemplate？

大部分有状态副本集都会用到持久存储，比如分布式系统来说，由于数据是不一样的，每个节点都需要自己专用的存储节点。而在Deployment中Pod模板中创建的存储卷是一个共享的存储卷，多个Pod使用同一个存储卷，而statefulSet定义中的每一个Pod都不能使用同一个存储卷，由此基于Pod模板创建Pod是不适应的，这就需要引入volumeClainTemplate，当在使用StatefulSet创建Pod时，会自动生成一个PVC，从而请求绑定一个PV，从而有自己专用的存储卷。Pod名称、PVC和PV的关系图如下：

img

5.3 StatefulSet 定义

在创建StatefulSet之前需要准备的东西，创建顺序非常关键，如下

1、Volume

2、Persistent Volume

3、Persistent Volume Clain

4、Service

5、StatefulSet

Volume可以有很多中类型，比如nfs、gluster等，下面使用nfs

statefulSet字段说明：

5.3.1 清单定义StatefulSet

通过上面的描述，下面示例定义StatefulSet资源，在定义之前首先得准备PV资源对象。这里同样使用NFS作为后端存储。

1）准备NFS（安装软件省略，参考）

2）创建PV；这里创建5个PV，存储大小各不相等，是否可读也不相同，这里新创建一个目录用于存放statefulset所有的资源清单文件等

3）编写定义StatefulSet的资源清单，首先我们要定义一个Headless Service，这里headless Service和StatefulSet写在一个文件。

解析上面的资源清单：由于StatefulSet资源依赖于一个事先存在的Service资源，所以需要先定义一个名为nginx-svc的Headless Service资源，用于关联到每个Pod资源创建DNS资源记录。接着定义了一个名为nginx-statefulset的StatefulSet资源，它通过Pod模板创建了5个Pod资源副本，并基于volumeClaiTemplate向前面创建的PV进行了请求大小为5Gi的专用存储卷。

4）创建StatefulSet资源，这里打开另外一个窗口实时查看pod

5）删除测试，同样在另外一个窗口动态查看pod

6）名称解析，在创建的每一个Pod中，每一个Pod自己的名称都是可以被解析的，如下：

5.3.2 StatefulSet资源扩缩容

StatefulSet资源的扩缩容与Deployment资源相似，即通过修改资源的副本数来改动其目标Pod资源数量。对StatefulSet资源来说，kubectl scale和kubectl patch命令均可以实现此功能，也可以使用kubectl edit命令直接修改其副本数，或者修改资源清单文件，由kubectl apply命令重新声明。

1）通过scale将nginx-statefulset资源副本数量扩容为4个

2）通过patch将nginx-statefulset资源副本数量缩容为3个

5.3.3 更新策略

StatefulSet的默认更新策略为滚动更新，也可以暂停更新

5.3.3.1 滚动更新示例

通过上面示例可以看出，默认为滚动更新，倒序更新，更新完成一个接着更新下一个。

5.3.3.2 暂停更新示例

有时候设定了一个更新操作，但是又不希望一次性全部更新完成，想先更新几个，观察其是否稳定，然后再更新所有的。这时候只需要将.spec.spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition字段的值进行修改即可。（默认值为0，所以我们看到了更新效果为上面那样，全部更新）。该字段表示如果设置为2，那么只有当编号大于等于2的才会进行更新。类似于金丝雀的发布方式。示例如下：

贡献者

codingLab

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