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StatefulSet

StatefulSet 是为了解决有状态服务的问题（对应 Deployments 和 ReplicaSets 是为无状态服务而设计），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
  • 稳定的网络标志，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依序进行（即从 0 到 N-1，在下一个 Pod 运行之前所有之前的 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）
从上面的应用场景可以发现，StatefulSet 由以下几个部分组成：
  • 用于定义网络标志（DNS domain）的 Headless Service
  • 用于创建 PersistentVolumes 的 volumeClaimTemplates
  • 定义具体应用的 StatefulSet
StatefulSet 中每个 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 namespace，Headless Service 和 StatefulSet 必须在相同的 namespace
  • .cluster.local 为 Cluster Domain

API 版本对照表

Kubernetes 版本
Deployment 版本
v1.5-v1.6
extensions/v1beta1
v1.7-v1.15
apps/v1beta1
v1.8-v1.15
apps/v1beta2
v1.9+
apps/v1

简单示例

以一个简单的 nginx 服务 web.yaml 为例：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: "nginx"
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
ports:
- containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
resources:
requests:
storage: 1Gi
$ kubectl create -f web.yaml
service "nginx" created
statefulset "web" created
​
# 查看创建的 headless service 和 statefulset
$ kubectl get service nginx
NAME CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx None <none> 80/TCP 1m
$ kubectl get statefulset web
NAME DESIRED CURRENT AGE
web 2 2 2m
​
# 根据 volumeClaimTemplates 自动创建 PVC（在 GCE 中会自动创建 kubernetes.io/gce-pd 类型的 volume）
$ kubectl get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESSMODES AGE
www-web-0 Bound pvc-d064a004-d8d4-11e6-b521-42010a800002 1Gi RWO 16s
www-web-1 Bound pvc-d06a3946-d8d4-11e6-b521-42010a800002 1Gi RWO 16s
​
# 查看创建的 Pod，他们都是有序的
$ kubectl get pods -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 5m
web-1 1/1 Running 0 4m
​
# 使用 nslookup 查看这些 Pod 的 DNS
$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
/ # nslookup web-0.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
​
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.2.10
/ # nslookup web-1.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
​
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.3.12
/ # nslookup web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
​
Name: web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Address 1: 10.244.2.10
还可以进行其他的操作
# 扩容
$ kubectl scale statefulset web --replicas=5
​
# 缩容
$ kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"replicas":3}}'
​
# 镜像更新（目前还不支持直接更新 image，需要 patch 来间接实现）
$ kubectl patch statefulset web --type='json' -p='[{"op":"replace","path":"/spec/template/spec/containers/0/image","value":"gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.7"}]'
​
# 删除 StatefulSet 和 Headless Service
$ kubectl delete statefulset web
$ kubectl delete service nginx
​
# StatefulSet 删除后 PVC 还会保留着，数据不再使用的话也需要删除
$ kubectl delete pvc www-web-0 www-web-1

更新 StatefulSet

v1.7 + 支持 StatefulSet 的自动更新，通过 spec.updateStrategy 设置更新策略。目前支持两种策略
  • OnDelete：当 .spec.template 更新时，并不立即删除旧的 Pod，而是等待用户手动删除这些旧 Pod 后自动创建新 Pod。这是默认的更新策略，兼容 v1.6 版本的行为
  • RollingUpdate：当 .spec.template 更新时，自动删除旧的 Pod 并创建新 Pod 替换。在更新时，这些 Pod 是按逆序的方式进行，依次删除、创建并等待 Pod 变成 Ready 状态才进行下一个 Pod 的更新。

Partitions

RollingUpdate 还支持 Partitions，通过 .spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition 来设置。当 partition 设置后，只有序号大于或等于 partition 的 Pod 会在 .spec.template 更新的时候滚动更新，而其余的 Pod 则保持不变（即便是删除后也是用以前的版本重新创建）。
# 设置 partition 为 3
$ kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"updateStrategy":{"type":"RollingUpdate","rollingUpdate":{"partition":3}}}}'
statefulset "web" patched
​
# 更新 StatefulSet
$ kubectl patch statefulset web --type='json' -p='[{"op":"replace","path":"/spec/template/spec/containers/0/image","value":"gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.7"}]'
statefulset "web" patched
​
# 验证更新
$ kubectl delete po web-2
pod "web-2" deleted
$ kubectl get po -lapp=nginx -w
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 4m
web-1 1/1 Running 0 4m
web-2 0/1 ContainerCreating 0 11s
web-2 1/1 Running 0 18s

Pod 管理策略

v1.7 + 可以通过 .spec.podManagementPolicy 设置 Pod 管理策略，支持两种方式
  • OrderedReady：默认的策略，按照 Pod 的次序依次创建每个 Pod 并等待 Ready 之后才创建后面的 Pod
  • Parallel：并行创建或删除 Pod（不等待前面的 Pod Ready 就开始创建所有的 Pod）

Parallel 示例

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
---
apiVersion: apps/v1beta1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: "nginx"
podManagementPolicy: "Parallel"
replicas: 2
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8
ports:
- containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
resources:
requests:
storage: 1Gi
可以看到，所有 Pod 是并行创建的
$ kubectl create -f webp.yaml
service "nginx" created
statefulset "web" created
​
$ kubectl get po -lapp=nginx -w
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-0 1/1 Running 0 10s
web-1 1/1 Running 0 10s

zookeeper

另外一个更能说明 StatefulSet 强大功能的示例为 zookeeper.yaml。
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: zk-headless
labels:
app: zk-headless
spec:
ports:
- port: 2888
name: server
- port: 3888
name: leader-election
clusterIP: None
selector:
app: zk
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
name: zk-config
data:
ensemble: "zk-0;zk-1;zk-2"
jvm.heap: "2G"
tick: "2000"
init: "10"
sync: "5"
client.cnxns: "60"
snap.retain: "3"
purge.interval: "1"
---
apiVersion: policy/v1beta1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
name: zk-budget
spec:
selector:
matchLabels:
app: zk
minAvailable: 2
---
apiVersion: apps/v1beta1
kind: StatefulSet
metadata:
name: zk
spec:
serviceName: zk-headless
replicas: 3
template:
metadata:
labels:
app: zk
annotations:
pod.alpha.kubernetes.io/initialized: "true"
scheduler.alpha.kubernetes.io/affinity: >
{
"podAntiAffinity": {
"requiredDuringSchedulingRequiredDuringExecution": [{
"labelSelector": {
"matchExpressions": [{
"key": "app",
"operator": "In",
"values": ["zk-headless"]
}]
},
"topologyKey": "kubernetes.io/hostname"
}]
}
}
spec:
containers:
- name: k8szk
imagePullPolicy: Always
image: gcr.io/google_samples/k8szk:v1
resources:
requests:
memory: "4Gi"
cpu: "1"
ports:
- containerPort: 2181
name: client
- containerPort: 2888
name: server
- containerPort: 3888
name: leader-election
env:
- name : ZK_ENSEMBLE
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: ensemble
- name : ZK_HEAP_SIZE
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: jvm.heap
- name : ZK_TICK_TIME
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: tick
- name : ZK_INIT_LIMIT
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: init
- name : ZK_SYNC_LIMIT
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: tick
- name : ZK_MAX_CLIENT_CNXNS
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: client.cnxns
- name: ZK_SNAP_RETAIN_COUNT
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: snap.retain
- name: ZK_PURGE_INTERVAL
valueFrom:
configMapKeyRef:
name: zk-config
key: purge.interval
- name: ZK_CLIENT_PORT
value: "2181"
- name: ZK_SERVER_PORT
value: "2888"
- name: ZK_ELECTION_PORT
value: "3888"
command:
- sh
- -c
- zkGenConfig.sh && zkServer.sh start-foreground
readinessProbe:
exec:
command:
- "zkOk.sh"
initialDelaySeconds: 15
timeoutSeconds: 5
livenessProbe:
exec:
command:
- "zkOk.sh"
initialDelaySeconds: 15
timeoutSeconds: 5
volumeMounts:
- name: datadir
mountPath: /var/lib/zookeeper
securityContext:
runAsUser: 1000
fsGroup: 1000
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: datadir
annotations:
volume.alpha.kubernetes.io/storage-class: anything
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
resources:
requests:
storage: 20Gi
kubectl create -f zookeeper.yaml
详细的使用说明见 zookeeper stateful application。

StatefulSet 注意事项

  1. 1.
    推荐在 Kubernetes v1.9 或以后的版本中使用
  2. 2.
    所有 Pod 的 Volume 必须使用 PersistentVolume 或者是管理员事先创建好
  3. 3.
    为了保证数据安全，删除 StatefulSet 时不会删除 Volume
  4. 4.
    StatefulSet 需要一个 Headless Service 来定义 DNS domain，需要在 StatefulSet 之前创建好
以前
ServiceAccount
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