图解kubernetes容器状态同步机制核心实现
在K8s中将Pod调度到某一台Node节点之后，后续的状态维护信息则是由对应机器上的kubelet进行维护，如何实时反馈本地运行状态，并通知apiserver则是设计的难点， 本节主要是通过感知Pod状态变化和探测状态改变两个流程来实际分析其核心数据结构，来了解内部设计
1. 状态管理
1.1 静态Pod
静态Pod主要是指的那些不是通过感知apiserver创建的pod, 因为apiserver上并不包含，但是同时也需要维护和获取这类Pod的状态， k8s中就设计了一个镜像Pod的概念，其实就是为静态Pod镜像出来一个Pod该Pod的主要信息与静态Pod一致，并且在apiserver中进行创建，通过apiserver可以感知的这个镜像Pod来反映真实的静态Pod的状态,
1.2 状态数据源
statusManager是进行状态同步的关键组件其需要综合当前Pod运行中的数据和apiserver存储的数据，从而决定最终的状态转换, 这里先关注图上画出来的，更多的状态等后续会一一介绍
2. 版本一致性
type versionedPodStatus struct {
status v1.PodStatus
// 单调递增的版本号（每个pod）
version uint64
// Pod name & namespace, for sending updates to API server.
podName string
podNamespace string
}
在Kubelet中为保证与apiserver端信息的同步，在本地保存了一个Pod状态版本信息，其里面除了保存当前Pod的状态数据还有一个版本版本号，通过单调递增的版本号的对比来确定是否进行状态的同步
3. 核心源码实现
statusManager的流程其实还是蛮复杂的，今天我们就只讲一个场景，即kubelet通过apiserver感知到一个Pod更新，然后顺着该功能的数据流来进行梳理statusMangaer里面的数据流转
3.1 核心数据结构
manager中的核心状态相关的数据结构可以主要分为两大类：映射数据维护(podManager、podStatuses、apiStatusVersions)数据通信管道(podStatusChannel)， 剩余的则是对与apiserver通信的kublet和进行pod删除检查的 podDeletionSafety
type manager struct {
kubeClient clientset.Interface
// 管理缓存Pod，包含镜像pod和静态pod的映射
podManager kubepod.Manager
// 从pod UID映射到相应pod的版本状态信息 。
podStatuses map[types.UID]versionedPodStatus
podStatusesLock sync.RWMutex
podStatusChannel chan podStatusSyncRequest
// 存储镜像pod的版本
apiStatusVersions map[kubetypes.MirrorPodUID]uint64
podDeletionSafety PodDeletionSafetyProvider
}
3.2 设置Pod状态
设置Pod状态主要是位于kubelet中的syncPod中，在接收到pod事件变更之后，会与apiserver进行 Pod最新数据的同步从而获取当前pod在apiserver端的最新状态
func (m *manager) SetPodStatus(pod *v1.Pod, status v1.PodStatus) {
m.podStatusesLock.Lock()
defer m.podStatusesLock.Unlock()
for _, c := range pod.Status.Conditions {
if !kubetypes.PodConditionByKubelet(c.Type) {
klog.Errorf("Kubelet is trying to update pod condition %q for pod %q. "+
"But it is not owned by kubelet.", string(c.Type), format.Pod(pod))
}
}
// Make sure we're caching a deep copy.
status = *status.DeepCopy()
// 如果Pod被删除了则需要强制与apiserver进行信息的同步
m.updateStatusInternal(pod, status, pod.DeletionTimestamp != nil)
}
3.3 更新内部缓存状态产生同步事件
3.3.1 获取缓存状态
var oldStatus v1.PodStatus
// 检测之前的本地缓存数据
cachedStatus, isCached := m.podStatuses[pod.UID]
if isCached {
oldStatus = cachedStatus.status
} else if mirrorPod, ok := m.podManager.GetMirrorPodByPod(pod); ok {
oldStatus = mirrorPod.Status
} else {
oldStatus = pod.Status
}
3.3.2 检测容器状态
检测容器状态主要是针对容器终止状态转发的合法性进行检测，其实就是根据设定的Pod的RestartPolicy来检测针对一个终止的容器是否可以进行重启
if err := checkContainerStateTransition(oldStatus.ContainerStatuses, status.ContainerStatuses, pod.Spec.RestartPolicy); err != nil {
klog.Errorf("Status update on pod %v/%v aborted: %v", pod.Namespace, pod.Name, err)
return false
}
if err := checkContainerStateTransition(oldStatus.InitContainerStatuses, status.InitContainerStatuses, pod.Spec.RestartPolicy); err != nil {
klog.Errorf("Status update on pod %v/%v aborted: %v", pod.Namespace, pod.Name, err)
return false
}
3.3.3 更新PodCondition最后转换时间
通过最新的status里面的condition设定对应PodCondition的LastTransitionTime更新时间未当前时间
// Set ContainersReadyCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.ContainersReady)
// Set ReadyCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.PodReady)
// Set InitializedCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.PodInitialized)
// Set PodScheduledCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.PodScheduled)
3.3.4 校对时间截断过长信息
首先会根据当前容器的个数，从而决定每个容器最大的字节数大小，然后对容器里面的终止状态里面的Message信息，进行截断，同时进行时间的校对
normalizeStatus(pod, &status)
3.3.5 状态更新条件检测
如果之前已经缓存了对应的数据，并且缓存的数据与当前的状态未发生改变，也不需要强制更新，就直接返回
if isCached && isPodStatusByKubeletEqual(&cachedStatus.status, &status) && !forceUpdate {
// 如果不强制更新 ，默认是true此处不会成立
klog.V(3).Infof("Ignoring same status for pod %q, status: %+v", format.Pod(pod), status)
return false // No new status.
}
3.3.6 生成同步事件更新缓存
生成最新的状态缓存数据，并且递增本地的版本信息
// 构建新的状态
newStatus := versionedPodStatus{
status: status,
version: cachedStatus.version + 1, // 更新器缓存
podName: pod.Name,
podNamespace: pod.Namespace,
}
// 更新新的缓存状态
m.podStatuses[pod.UID] = newStatus
select {
case m.podStatusChannel <- podStatusSyncRequest{pod.UID, newStatus}: // 构建一个新的同步请求
klog.V(5).Infof("Status Manager: adding pod: %q, with status: (%d, %v) to podStatusChannel",
pod.UID, newStatus.version, newStatus.status)
return true
default:
// Let the periodic syncBatch handle the update if the channel is full.
// We can't block, since we hold the mutex lock.
klog.V(4).Infof("Skipping the status update for pod %q for now because the channel is full; status: %+v",
format.Pod(pod), status)
return false
}
3.4 探测状态更新
探测状态其实就是Pod内容器的运行状态，比如如果设置了Readiness探测，当某个容器探测失败的时候，就会通知对应的service从后端的enpoint中移除该Pod, 让我们一起看看Kubelet是如何将运行状态通知到apiserver端的
3.4.1 获取当前状态
func (m *manager) SetContainerReadiness(podUID types.UID, containerID kubecontainer.ContainerID, ready bool) {
m.podStatusesLock.Lock()
defer m.podStatusesLock.Unlock()
// 获取本地的容器
pod, ok := m.podManager.GetPodByUID(podUID)
if !ok {
klog.V(4).Infof("Pod %q has been deleted, no need to update readiness", string(podUID))
return
}
// 获取当前的状态
oldStatus, found := m.podStatuses[pod.UID]
if !found {
klog.Warningf("Container readiness changed before pod has synced: %q - %q",
format.Pod(pod), containerID.String())
return
}
// 获取当前的容器状态
containerStatus, _, ok := findContainerStatus(&oldStatus.status, containerID.String())
if !ok {
klog.Warningf("Container readiness changed for unknown container: %q - %q",
format.Pod(pod), containerID.String())
return
}
3.4.2 检测状态是否发生改变
// 检测前后的就绪状态是否发生改变
if containerStatus.Ready == ready {
klog.V(4).Infof("Container readiness unchanged (%v): %q - %q", ready,
format.Pod(pod), containerID.String())
return
}
3.4.3 修改容器的就绪状态
获取容器的状态，修改就绪为当前的状态
status := *oldStatus.status.DeepCopy()
containerStatus, _, _ = findContainerStatus(&status, containerID.String())
containerStatus.Ready = ready
3.4.4 根据最新的容器状态修改
会根据当前运行时的容器探测的状态，来修改对应PodCondition里面的状态，最后调用内部的更新逻辑
updateConditionFunc := func(conditionType v1.PodConditionType, condition v1.PodCondition) {
conditionIndex := -1
// 获取Pod对应的PodCondition状态
for i, condition := range status.Conditions {
if condition.Type == conditionType {
conditionIndex = i
break
}
}
// 修改或追加Pod对应的PodCondition状态
if conditionIndex != -1 {
status.Conditions[conditionIndex] = condition
} else {
klog.Warningf("PodStatus missing %s type condition: %+v", conditionType, status)
status.Conditions = append(status.Conditions, condition)
}
}
// 计算Ready状态
updateConditionFunc(v1.PodReady, GeneratePodReadyCondition(&pod.Spec, status.Conditions, status.ContainerStatuses, status.Phase))
// 计算容器Ready状态
updateConditionFunc(v1.ContainersReady, GenerateContainersReadyCondition(&pod.Spec, status.ContainerStatuses, status.Phase))
m.updateStatusInternal(pod, status, false)
3.5 启动后台同步任务
statusManager会启动一个后台的线程来进行更新管道里面同步请求的消费
func (m *manager) Start() {
// 省略非核心代码
go wait.Forever(func() {
select {
case syncRequest := <-m.podStatusChannel:
// 获取最新的状态信息，更新apiserver
klog.V(5).Infof("Status Manager: syncing pod: %q, with status: (%d, %v) from podStatusChannel",
syncRequest.podUID, syncRequest.status.version, syncRequest.status.status)
m.syncPod(syncRequest.podUID, syncRequest.status)
case <-syncTicker:
m.syncBatch()
}
}, 0)
}
3.6 同步Pod状态
3.6.1 同步条件检测
同步条件检测主要是检测镜像Pod的版本是否发送变化、Pod当前是否被删除，如果pod没有被删除则返回false,即对一个没有删除的Pod我们还是需要继续更新其状态的
if !m.needsUpdate(uid, status) {
klog.V(1).Infof("Status for pod %q is up-to-date; skipping", uid)
return
}
3.6.2 通过apiserver获取最新Pod数据
如果没有获取到Pod信息，则直接进行退出即可
pod, err := m.kubeClient.CoreV1().Pods(status.podNamespace).Get(status.podName, metav1.GetOptions{})
if errors.IsNotFound(err) {
klog.V(3).Infof("Pod %q does not exist on the server", format.PodDesc(status.podName, status.podNamespace, uid))
// 如果Pod已经被删除了，就直接退出就行
return
}
if err != nil {
klog.Warningf("Failed to get status for pod %q: %v", format.PodDesc(status.podName, status.podNamespace, uid), err)
return
}
3.6.3 调用Patch接口进行更新
这里面会通过将最小的状态与之前的状态来进行merge合并，然后调用kubeClient进行apiserver端状态的修改
oldStatus := pod.Status.DeepCopy()
// 更新服务端的状态
newPod, patchBytes, err := statusutil.PatchPodStatus(m.kubeClient, pod.Namespace, pod.Name, pod.UID, *oldStatus, mergePodStatus(*oldStatus, status.status))
klog.V(3).Infof("Patch status for pod %q with %q", format.Pod(pod), patchBytes)
if err != nil {
klog.Warningf("Failed to update status for pod %q: %v", format.Pod(pod), err)
return
}
3.6.4 更新本地的Apiserver端的版本信息
// 当前是最新的状态
pod = newPod
klog.V(3).Infof("Status for pod %q updated successfully: (%d, %+v)", format.Pod(pod), status.version, status.status)
m.apiStatusVersions[kubetypes.MirrorPodUID(pod.UID)] = status.version
3.6.5 检测删除Pod
这里主要是最后阶段，即Pod对应的资源都已经释放了，则才最终删除apiserver端的Pod
// 如果pod的DeletionTimestamp被设置，则对应的Pod需要被删除
if m.canBeDeleted(pod, status.status) {
deleteOptions := metav1.NewDeleteOptions(0)
deleteOptions.Preconditions = metav1.NewUIDPreconditions(string(pod.UID))
// 调用apiserver对Pod进行删除
err = m.kubeClient.CoreV1().Pods(pod.Namespace).Delete(pod.Name, deleteOptions)
if err != nil {
klog.Warningf("Failed to delete status for pod %q: %v", format.Pod(pod), err)
return
}
klog.V(3).Infof("Pod %q fully terminated and removed from etcd", format.Pod(pod))
m.deletePodStatus(uid)
}
探活整体的设计大概就是这样，希望大佬们多多关注，一起交流。 k8s源码阅读电子书地址: https://www.yuque.com/baxiaoshi/tyado3
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