图解kubernetes批处理Job控制器的关键设计

2020-03-31 665

K8s中的批处理任务模块主要是由Job控制器完成，今天我们就来关注下其底层的关键设计,包括完成状态、并行模式、并行策略等关键机制

1. 基础概念

在聊k8s的任务模块的实现的时候，我们先看一下传统的任务系统的设计与实现，然后聊下基于k8s的基础的概念

1.1 传统的任务系统设计

传统的任务系统设计主要可以分为master(任务分配/故障感知/负载均衡)、Worker(任务执行/任务监控/任务管理)、分布式协调(etcd等存储元数据)、任务仓库(存储任务的实现比如类或者接口)等几部分，从大的部分又可以切分为两个部分管控端(分布式协调/master/仓库)、执行端(Worker)，传统的任务系统大概就是这样

通常复杂的就是如何在master如何做任务的负载均衡、任务的快速完成、依赖等管控功能，其次就是如何在worker端实现一个牛x的引擎，可以支持各种不同任务的执行环境和类型的执行

1.2 基于Pod的任务载体

k8s中的最小单元调度是Pod，同样的job控制器调度的最小单元也是Pod, Pod里面包含容器，以容器为载体k8s屏蔽了传统worker模块的任务执行环境与实现两个部分，只需要添加一些配置数据，对应的Pod就可以完成对应的任务的执行

1.3 简化的调度层

在k8s中Pod通常被定义为一个不稳定的单元，即k8s并不保证你的pod在被调度到某一台机器后就会一直的稳定运行，直到这台机器下线，这与传统的系统都不太一样，基于该特点，Job调度器的调度层其实也是一种面向于终态的设计。

大概就先介绍这些，接下来我们去分析k8s中job的核心实现机制

2. 核心实现

Job控制器的核心实现有几个关键点：并行粒度、完成状态、并行策略、并行模式、删除策略，记住这些关键点，我们来一一剖析

2.1 并行粒度

并行的粒度是指的针对同一任务可以同时有多少个并行的Pod即同时运行的Pod，Job控制器会根据用户设定的并行粒度确定需要同时运行的Pod

2.2 完成状态

在一些批处理调度的系统里面可能会通过数据分片后，等待所有分片的任务都完成后，来确定任务的完成状态，但是在k8s中Job控制器是一个通用的实现, 而且调度层本身也并不关注调度任务的具体数据所以在k8s中里面其实是通过Completion的和backoffLimit来完成状态转移的，即通过Completion来确定需要等待的Pod的完成的数量，而通过backoffLimit确定到底可以允许失败重试的次数，确定重试多少次就认为任务失败了

2.3 并行模式

在k8s的job控制器模式介绍中提到四种并发模式，那实现上是不是真的有四种模式呢，答案是否定的。可以说k8s的job控制器根本也就不关注是那种模式，模式是应用层自己的设计，而job控制器只负责并行粒度、当前状态、完成状态

这里我们主要分析下Parallel JOb with a fix completion count和Parallel Job with a work queue的实现来聊聊Job控制器是如何实现的，两者很大的一个区别就是后者不能设置Completions,即不需要设置需要等待多少个Pod完成，为什么一个参数的设定就可以实现两者模式呢？答案就是期望的完成数量不同，如果Completions不设定，则实际上Job控制器发现有任一一个Pod成功并且当前活跃的Pod的数量为0，则表示当前任务完成, 该模式主要适用于单次的批任务，即本次批任务的所有Pod任务都完成，通常也意味着本次批任务是有限的集合

而Completions设定为数量则意味着只需要完成指定数量的批任务，即任务可能类似于流处理模式，本次只期望完成一部分即可，即Completions设定数量的任务

2.4 并行策略

并行策略主要是指的如果我们指定的Parallelism的数量过大，为了避免单个任务同时创建大量的Job任务对集群带来的影响则采用分批逐次递增的策略，逐步完成并行所需要的Pod的更新

2.5 期望计数

期望计数是k8s中控制器常见的机制，即当控制器进行Pod操作完成后，会设定当前期望的Pod的增加或者删除的计数，通过期望计数的统计来确定当前是否需要继续更新对应的pod, 期望的满足主要来源于两个地方：informer和当前控制流，informer通过监听apiserver来感知事件，而当前控制流则主要是在操作Pod失败的时候，直接更新期望，因为这些操作失败的Pod并不会从后续的informer中感知到

2.6 删除策略

我们提到过期望计数来决定是否更新状态，但这个并不保证一致性，很有可能因为事件的延迟导致控制器创建了大量的Pod此时就需要基于终态的继续调整，即需要根据当前的数量来删除部分的Pod, 删除策略主要是包含六点：1)未分配优先 2)未运行优先 3）未就绪优先 4）运行时间最短优先 5）重启次数多优先 6）创建时间较短优先

3. 总结

Job控制器的实现设计上还是很好玩的，主要是是面向常见的批处理场景，但本身并没有考虑优先级、关系、效率、分片等功能，只是一个通用的基础的任务调度的实现，当前k8s中还有很多针对不同场景的专用任务调度实现，但基于k8s的任务系统设计本身就给我们降低了很多的复杂度，这也就是云原生带来的好处，今天就到这里，谢谢大家

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