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图解kubernetes中etcd增删改查的工业实现

日期：2020-03-05点击：648

kubernetes中基于etcd实现集中的数据存储,今天来学习下基于etcd如何实现数据读取一致性、更新一致性、事务的具体实现

1. 数据的存储与版本

1.1 数据存储的转换

image.png 在k8s中有部分数据的存储是需要经过处理之后才能存储的，比如secret这种加密的数据，既然要存储就至少包含两个操作，加密存储，解密读取，transformer就是为了完成该操作而实现的，其在进行etcd数据存储的时候回对数据进行加密，而在读取的时候，则会进行解密

1.2 资源版本revision

image.png 在etcd中进行修改(增删改)操作的时候，都会递增revision，而在k8s中也通过该值来作为k8s资源的ResourceVersion,该机制也是实现watch的关键机制，在操作etcd解码从etcd获取的数据的时候，会通过versioner组件来为资源动态的修改该值

1.3 数据模型的映射

image.png 将数据从etcd中读取后，数据本身就是一个字节数组，如何将对应的数据转换成我们真正的运行时对象呢？还记得我们之前的scheme与codec么，在这里我们知道对应的数据编码格式，也知道资源对象的类型，则通过codec、字节数组、目标类型，我们就可以完成对应数据的反射

2. 查询接口一致性

image.png etcd中的数据写入是基于leader单点写入和集群quorum机制实现的，并不是一个强一致性的数据写入，则如果如果我们访问的节点不存在quorum的半数节点内，则可能造成短暂的数据不一致，针对一些强一致的场景，我们可以通过其revision机制来进行数据的读取, 保证我们读取到更新之后的数据

// 省略非核心代码
func (s *store) Get(ctx context.Context, key string, resourceVersion string, out runtime.Object, ignoreNotFound bool) error {
	// 获取key
	getResp, err := s.client.KV.Get(ctx, key, s.getOps...)

    // 检测当前版本，是否达到最小版本的
	if err = s.ensureMinimumResourceVersion(resourceVersion, uint64(getResp.Header.Revision)); err != nil {
		return err
	}

	// 执行数据转换
	data, _, err := s.transformer.TransformFromStorage(kv.Value, authenticatedDataString(key))
	if err != nil {
		return storage.NewInternalError(err.Error())
	}
	// 解码数据
	return decode(s.codec, s.versioner, data, out, kv.ModRevision)
}

3. 创建接口实现image.png

创建一个接口数据则会首先进行资源对象的检查，避免重复创建对象，此时会先通过资源对象的version字段来进行初步检查，然后在利用etcd的事务机制来保证资源创建的原子性操作

// 省略非核心代码
func (s *store) Create(ctx context.Context, key string, obj, out runtime.Object, ttl uint64) error {
	if version, err := s.versioner.ObjectResourceVersion(obj); err == nil && version != 0 {
		return errors.New("resourceVersion should not be set on objects to be created")
	}
	if err := s.versioner.PrepareObjectForStorage(obj); err != nil {
		return fmt.Errorf("PrepareObjectForStorage failed: %v", err)
	}
	// 将数据编码
	data, err := runtime.Encode(s.codec, obj)
	if err != nil {
		return err
	}
	
	// 转换数据
	newData, err := s.transformer.TransformToStorage(data, authenticatedDataString(key))
	if err != nil {
		return storage.NewInternalError(err.Error())
	}

	startTime := time.Now()
    // 事务操作
	txnResp, err := s.client.KV.Txn(ctx).If(
		notFound(key), // 如果之前不存在 这里是利用的etcd的ModRevision即修改版本为0， 寓意着对应的key不存在
	).Then(
		clientv3.OpPut(key, string(newData), opts...), // put修改数据
	).Commit()
	metrics.RecordEtcdRequestLatency("create", getTypeName(obj), startTime)
	if err != nil {
		return err
	}
	if !txnResp.Succeeded {
		return storage.NewKeyExistsError(key, 0)
	}

	if out != nil {
        // 获取对应的Revision
		putResp := txnResp.Responses[0].GetResponsePut()
		return decode(s.codec, s.versioner, data, out, putResp.Header.Revision)
	}
	return nil
}

func notFound(key string) clientv3.Cmp {
	return clientv3.Compare(clientv3.ModRevision(key), "=", 0)
}

4. 删除接口的实现

image.png 删除接口主要是通过CAS和事务机制来共同实现，确保在etcd不发生异常的情况，即使并发对同个资源来进行删除操作也能保证至少有一个节点成功

// 省略非核心代码
func (s *store) conditionalDelete(ctx context.Context, key string, out runtime.Object, v reflect.Value, preconditions *storage.Preconditions, validateDeletion storage.ValidateObjectFunc) error {
	startTime := time.Now()
	// 获取当前的key的数据
	getResp, err := s.client.KV.Get(ctx, key)
	for {
		// 获取当前的状态
		origState, err := s.getState(getResp, key, v, false)
		if err != nil {
			return err
		}
		txnResp, err := s.client.KV.Txn(ctx).If(
			clientv3.Compare(clientv3.ModRevision(key), "=", origState.rev), // 如果修改版本等于当前状态，就尝试删除
		).Then(
			clientv3.OpDelete(key), // 删除
		).Else(
			clientv3.OpGet(key),	// 获取
		).Commit()
		if !txnResp.Succeeded {
			// 获取最新的数据重试事务操作
			getResp = (*clientv3.GetResponse)(txnResp.Responses[0].GetResponseRange())
			klog.V(4).Infof("deletion of %s failed because of a conflict, going to retry", key)
			continue
		}
		// 将最后一个版本的数据解码到out里面，然后返回
		return decode(s.codec, s.versioner, origState.data, out, origState.rev)
	}
}

5. 更新接口的实现

image.png 更新接口实现上与删除接口并无本质上的差别，但是如果多个节点同时进行更新，CAS并发操作必然会有一个节点成功，当发现已经有节点操作成功，则当前节点其实并不需要再做过多的操作，直接返回即可

// 省略非核心代码
func (s *store) GuaranteedUpdate(
	ctx context.Context, key string, out runtime.Object, ignoreNotFound bool,
	preconditions *storage.Preconditions, tryUpdate storage.UpdateFunc, suggestion ...runtime.Object) error {
	// 获取当前key的最新数据
	getCurrentState := func() (*objState, error) {
		startTime := time.Now()
		getResp, err := s.client.KV.Get(ctx, key, s.getOps...)
		metrics.RecordEtcdRequestLatency("get", getTypeName(out), startTime)
		if err != nil {
			return nil, err
		}
		return s.getState(getResp, key, v, ignoreNotFound)
	}

	// 获取当前数据
	var origState *objState
	var mustCheckData bool
	if len(suggestion) == 1 && suggestion[0] != nil {
		// 如果提供了建议的数据，则会使用，
		origState, err = s.getStateFromObject(suggestion[0])
		if err != nil {
			return err
		}
		//但是需要检测数据
		mustCheckData = true
	} else {
		// 尝试重新获取数据
		origState, err = getCurrentState()
		if err != nil {
			return err
		}
	}

	transformContext := authenticatedDataString(key)
	for {
		// 检查对象是否已经更新, 主要是通过检测uuid/revision来实现
		if err := preconditions.Check(key, origState.obj); err != nil {
			// If our data is already up to date, return the error
			if !mustCheckData {
				return err
			}
			// 如果检查数据一致性错误，则需要重新获取
			origState, err = getCurrentState()
			if err != nil {
				return err
			}
			mustCheckData = false
			// Retry
			continue
		}

		// 删除当前的版本数据revision
		ret, ttl, err := s.updateState(origState, tryUpdate)
		if err != nil {
			// If our data is already up to date, return the error
			if !mustCheckData {
				return err
			}

			// It's possible we were working with stale data
			// Actually fetch
			origState, err = getCurrentState()
			if err != nil {
				return err
			}
			mustCheckData = false
			// Retry
			continue
		}

		// 编码数据
		data, err := runtime.Encode(s.codec, ret)
		if err != nil {
			return err
		}
		if !origState.stale && bytes.Equal(data, origState.data) {
			// 如果我们发现我们当前的数据与获取到的数据一致，则会直接跳过
			if mustCheckData {
				origState, err = getCurrentState()
				if err != nil {
					return err
				}
				mustCheckData = false
				if !bytes.Equal(data, origState.data) {
					// original data changed, restart loop
					continue
				}
			}
			if !origState.stale {
                // 直接返回数据
				return decode(s.codec, s.versioner, origState.data, out, origState.rev)
			}
		}

		// 砖汉数据
		newData, err := s.transformer.TransformToStorage(data, transformContext)
		if err != nil {
			return storage.NewInternalError(err.Error())
		}

		opts, err := s.ttlOpts(ctx, int64(ttl))
		if err != nil {
			return err
		}
		trace.Step("Transaction prepared")

		startTime := time.Now()
		// 事务更新数据
		txnResp, err := s.client.KV.Txn(ctx).If(
			clientv3.Compare(clientv3.ModRevision(key), "=", origState.rev),
		).Then(
			clientv3.OpPut(key, string(newData), opts...),
		).Else(
			clientv3.OpGet(key),
		).Commit()
		metrics.RecordEtcdRequestLatency("update", getTypeName(out), startTime)
		if err != nil {
			return err
		}
		trace.Step("Transaction committed")
		if !txnResp.Succeeded {
			// 重新获取数据
			getResp := (*clientv3.GetResponse)(txnResp.Responses[0].GetResponseRange())
			klog.V(4).Infof("GuaranteedUpdate of %s failed because of a conflict, going to retry", key)
			origState, err = s.getState(getResp, key, v, ignoreNotFound)
			if err != nil {
				return err
			}
			trace.Step("Retry value restored")
			mustCheckData = false
			continue
		}
		// 获取put响应
		putResp := txnResp.Responses[0].GetResponsePut()

		return decode(s.codec, s.versioner, data, out, putResp.Header.Revision)
	}
}

6. 未曾讲到的地方

transformer的实现和注册地方我并没有找到，只看到了几个覆盖资源类型的地方，还有list/watch接口，后续再继续学习，今天就先到这里，下次再见

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