谈谈“控制器”模式

2021-02-28 2693 words 6 minutes

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本文转自张磊老师的《深入剖析 Kubernetes》课程

实际上，你可能已经有所感悟：Pod 这个看似复杂的 API 对象，实际上就是对容器的进一步抽象和封装而已。

说得更形象些，“容器”镜像虽然好用，但是容器这样一个“沙盒”的概念，对于描述应用来说，还是太过简单了。这就好比，集装箱固然好用，但是如果它四面都光秃秃的，吊车还怎么把这个集装箱吊起来并摆放好呢？所以，Pod 对象，其实就是容器的升级版。它对容器进行了组合，添加了更多的属性和字段。这就好比给集装箱四面安装了吊环，使得 Kubernetes 这架“吊车”，可以更轻松地操作它。

而 Kubernetes 操作这些“集装箱”的逻辑，都由控制器（Controller）完成。在前面的第 12 篇文章《牛刀小试：我的第一个容器化应用》中，我们曾经使用过 Deployment 这个最基本的控制器对象。

现在，我们一起来回顾一下这个名叫 nginx-deployment 的例子：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

这个 Deployment 定义的编排动作非常简单，即：确保携带了 app=nginx 标签的 Pod 的个数，永远等于 spec.replicas 指定的个数，即 2 个。

这就意味着，如果在这个集群中，携带 app=nginx 标签的 Pod 的个数大于 2 的时候，就会有旧的 Pod 被删除；反之，就会有新的 Pod 被创建。

这时，你也许就会好奇：究竟是 Kubernetes 项目中的哪个组件，在执行这些操作呢？

我在前面介绍 Kubernetes 架构的时候，曾经提到过一个叫作 kube-controller-manager 的组件。

实际上，这个组件，就是一系列控制器的集合。我们可以查看一下 Kubernetes 项目的 pkg/controller 目录：

$ cd kubernetes/pkg/controller/
$ ls -d */              
deployment/             job/                    podautoscaler/          
cloud/                  disruption/             namespace/              
replicaset/             serviceaccount/         volume/
cronjob/                garbagecollector/       nodelifecycle/          replication/            statefulset/            daemon/
...

这个目录下面的每一个控制器，都以独有的方式负责某种编排功能。而我们的 Deployment，正是这些控制器中的一种。

实际上，这些控制器之所以被统一放在 pkg/controller 目录下，就是因为它们都遵循 Kubernetes 项目中的一个通用编排模式，即：控制循环（control loop）。

比如，现在有一种待编排的对象 X，它有一个对应的控制器。那么，我就可以用一段 Go 语言风格的伪代码，为你描述这个控制循环：

for {
  实际状态 := 获取集群中对象X的实际状态（Actual State）
  期望状态 := 获取集群中对象X的期望状态（Desired State）
  if 实际状态 == 期望状态{
    什么都不做
  } else {
    执行编排动作，将实际状态调整为期望状态
  }
}

在具体实现中，实际状态往往来自于 Kubernetes 集群本身。

比如，kubelet 通过心跳汇报的容器状态和节点状态，或者监控系统中保存的应用监控数据，或者控制器主动收集的它自己感兴趣的信息，这些都是常见的实际状态的来源。

而期望状态，一般来自于用户提交的 YAML 文件。

比如，Deployment 对象中 Replicas 字段的值。很明显，这些信息往往都保存在 Etcd 中。

接下来，以 Deployment 为例，我和你简单描述一下它对控制器模型的实现：

Deployment 控制器从 Etcd 中获取到所有携带了“app: nginx”标签的 Pod，然后统计它们的数量，这就是实际状态；
Deployment 对象的 Replicas 字段的值就是期望状态；
Deployment 控制器将两个状态做比较，然后根据比较结果，确定是创建 Pod，还是删除已有的 Pod（具体如何操作 Pod 对象，我会在下一篇文章详细介绍）。

可以看到，一个 Kubernetes 对象的主要编排逻辑，实际上是在第三步的“对比”阶段完成的。

这个操作，通常被叫作调谐（Reconcile）。这个调谐的过程，则被称作“Reconcile Loop”（调谐循环）或者“Sync Loop”（同步循环）。

所以，如果你以后在文档或者社区中碰到这些词，都不要担心，它们其实指的都是同一个东西：控制循环。

而调谐的最终结果，往往都是对被控制对象的某种写操作。

比如，增加 Pod，删除已有的 Pod，或者更新 Pod 的某个字段。这也是 Kubernetes 项目“面向 API 对象编程”的一个直观体现。

其实，像 Deployment 这种控制器的设计原理，就是我们前面提到过的，“用一种对象管理另一种对象”的“艺术”。

其中，这个控制器对象本身，负责定义被管理对象的期望状态。比如，Deployment 里的 replicas=2 这个字段。而被控制对象的定义，则来自于一个“模板”。比如，Deployment 里的 template 字段。可以看到，Deployment 这个 template 字段里的内容，跟一个标准的 Pod 对象的 API 定义，丝毫不差。而所有被这个 Deployment 管理的 Pod 实例，其实都是根据这个 template 字段的内容创建出来的。像 Deployment 定义的 template 字段，在 Kubernetes 项目中有一个专有的名字，叫作 PodTemplate（Pod 模板）。

这个概念非常重要，因为后面我要讲解到的大多数控制器，都会使用 PodTemplate 来统一定义它所要管理的 Pod。更有意思的是，我们还会看到其他类型的对象模板，比如 Volume 的模板。至此，我们就可以对 Deployment 以及其他类似的控制器，做一个简单总结了：

如上图所示，类似 Deployment 这样的一个控制器，实际上都是由上半部分的控制器定义（包括期望状态），加上下半部分的被控制对象的模板组成的。

这就是为什么，在所有 API 对象的 Metadata 里，都有一个字段叫作 ownerReference，用于保存当前这个 API 对象的拥有者（Owner）的信息。

那么，对于我们这个 nginx-deployment 来说，它创建出来的 Pod 的 ownerReference 就是 nginx-deployment 吗？或者说，nginx-deployment 所直接控制的，就是 Pod 对象么？这个问题的答案，我就留到下一篇文章时再做详细解释吧。

总结

在今天这篇文章中，我以 Deployment 为例，和你详细分享了 Kubernetes 项目如何通过一个称作“控制器模式”（controller pattern）的设计方法，来统一地实现对各种不同的对象或者资源进行的编排操作。

在后面的讲解中，我还会讲到很多不同类型的容器编排功能，比如 StatefulSet、DaemonSet 等等，它们无一例外地都有这样一个甚至多个控制器的存在，并遵循控制循环（control loop）的流程，完成各自的编排逻辑。

实际上，跟 Deployment 相似，这些控制循环最后的执行结果，要么就是创建、更新一些 Pod（或者其他的 API 对象、资源），要么就是删除一些已经存在的 Pod（或者其他的 API 对象、资源）。但也正是在这个统一的编排框架下，不同的控制器可以在具体执行过程中，设计不同的业务逻辑，从而达到不同的编排效果。

这个实现思路，正是 Kubernetes 项目进行容器编排的核心原理。在此后讲解 Kubernetes 编排功能的文章中，我都会遵循这个逻辑展开，并且带你逐步领悟控制器模式在不同的容器化作业中的实现方式。

思考题

你能否说出，Kubernetes 使用的这个“控制器模式”，跟我们平常所说的“事件驱动”，有什么区别和联系吗？

A:
“事件驱动”，对于控制器来说是被动，只要触发事件则执行，对执行后不负责，无论成功与否，没有对一次操作的后续进行“监控” “控制器模式”，对于控制器来说是主动的，自身在不断地获取信息，起到事后“监控”作用，知道同步完成，实际状态与期望状态一致
事件往往是一次性的，如果操作失败比较难处理，但是控制器是循环一直在尝试的，更符合kubernetes声明式API，最终达到与声明一致。