Kubernetes - 工作负载资源
2025/12/12大约 6 分钟
Kubernetes - 工作负载资源
概述
工作负载（Workload）是在 Kubernetes 上运行的应用程序。Kubernetes 提供了多种内置的工作负载资源来管理 Pod：
- Pod：最小部署单元
- ReplicaSet：维护 Pod 副本数量
- Deployment：声明式更新 Pod 和 ReplicaSet
- StatefulSet：管理有状态应用
- DaemonSet：确保所有节点运行指定 Pod
- Job/CronJob：运行一次性或定时任务
Pod
Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，代表集群中运行的一个进程。
Pod 的特点
- 一个 Pod 可以包含一个或多个容器
- Pod 中的容器共享网络命名空间（IP 和端口）
- Pod 中的容器共享存储卷
- Pod 是短暂的，可能随时被终止和替换
Pod 定义示例
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx-pod
labels:
app: nginx
env: production
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.21
ports:
- containerPort: 80
resources:
requests:
memory: "64Mi"
cpu: "250m"
limits:
memory: "128Mi"
cpu: "500m"
livenessProbe:
httpGet:
path: /
port: 80
initialDelaySeconds: 15
periodSeconds: 20
readinessProbe:
httpGet:
path: /
port: 80
initialDelaySeconds: 5
periodSeconds: 10多容器 Pod
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: multi-container-pod
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.21
ports:
- containerPort: 80
volumeMounts:
- name: shared-data
mountPath: /usr/share/nginx/html
- name: content-generator
image: busybox
command: ["/bin/sh", "-c"]
args:
- while true; do
echo "<h1>Hello $(date)</h1>" > /data/index.html;
sleep 10;
done
volumeMounts:
- name: shared-data
mountPath: /data
volumes:
- name: shared-data
emptyDir: {}Pod 生命周期
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Pod 生命周期 │
│ │
│ Pending ──► Running ──► Succeeded/Failed │
│ │ │ │
│ │ └──► CrashLoopBackOff（容器反复崩溃） │
│ │ │
│ └──► Unknown（节点通信失败） │
│ │
│ 状态说明： │
│ - Pending: Pod 已创建，但容器还未启动 │
│ - Running: 至少一个容器正在运行 │
│ - Succeeded: 所有容器成功终止 │
│ - Failed: 至少一个容器以非零状态退出 │
│ - Unknown: 无法获取 Pod 状态 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘Init 容器
Init 容器在主容器启动之前运行，用于初始化工作：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: init-container-demo
spec:
initContainers:
- name: init-db
image: busybox
command: ['sh', '-c', 'until nc -z mysql-service 3306; do echo waiting for db; sleep 2; done']
- name: init-config
image: busybox
command: ['sh', '-c', 'cp /config/* /app/config/']
containers:
- name: app
image: myapp:1.0ReplicaSet
ReplicaSet 确保指定数量的 Pod 副本始终运行。
ReplicaSet 定义
apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
name: nginx-replicaset
labels:
app: nginx
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.21
ports:
- containerPort: 80ReplicaSet 工作原理
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ReplicaSet │
│ │
│ 期望副本数: 3 │
│ │
│ 当前状态: │
│ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │
│ │ Pod │ │ Pod │ │ Pod │ = 3 个运行中 │
│ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │
│ │
│ 如果 Pod 被删除: │
│ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │
│ │ Pod │ │ Pod │ │ NEW │ ← 自动创建新 Pod │
│ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘注意
通常不直接使用 ReplicaSet，而是使用 Deployment 来管理 ReplicaSet。
Deployment
Deployment 是最常用的工作负载资源，提供声明式更新能力。
Deployment 定义
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-deployment
labels:
app: nginx
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
strategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
maxSurge: 1
maxUnavailable: 1
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.21
ports:
- containerPort: 80
resources:
requests:
cpu: 100m
memory: 128Mi
limits:
cpu: 250m
memory: 256Mi创建 Deployment
# 使用 YAML 文件
kubectl apply -f nginx-deployment.yaml
# 使用命令行快速创建
kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.21 --replicas=3更新 Deployment
# 更新镜像
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.22
# 编辑 Deployment
kubectl edit deployment nginx-deployment
# 使用 patch
kubectl patch deployment nginx-deployment -p '{"spec":{"replicas":5}}'滚动更新策略
spec:
strategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
maxSurge: 25% # 更新时最多可以超出期望副本数的比例
maxUnavailable: 25% # 更新时最多不可用的副本数比例更新过程：
初始状态: v1 v1 v1 v1 (4 replicas)
Step 1: v1 v1 v1 v1 v2 (创建新版本 Pod)
Step 2: v1 v1 v1 v2 v2 (继续创建，删除旧版本)
Step 3: v1 v1 v2 v2 v2
Step 4: v1 v2 v2 v2 v2
Step 5: v2 v2 v2 v2 (更新完成)回滚 Deployment
# 查看更新历史
kubectl rollout history deployment/nginx-deployment
# 查看特定版本详情
kubectl rollout history deployment/nginx-deployment --revision=2
# 回滚到上一版本
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment
# 回滚到指定版本
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment --to-revision=2暂停和恢复更新
# 暂停更新
kubectl rollout pause deployment/nginx-deployment
# 进行多次修改
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.23
kubectl set resources deployment/nginx-deployment -c=nginx --limits=memory=256Mi
# 恢复更新（一次性应用所有修改）
kubectl rollout resume deployment/nginx-deploymentStatefulSet
StatefulSet 用于管理有状态应用，如数据库、消息队列等。
StatefulSet 特点
- Pod 拥有稳定的网络标识（固定的 Pod 名称）
- Pod 拥有稳定的持久化存储
- 有序部署、扩展和删除
- 有序滚动更新
StatefulSet 定义
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: mysql
spec:
serviceName: "mysql"
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: mysql
template:
metadata:
labels:
app: mysql
spec:
containers:
- name: mysql
image: mysql:8.0
ports:
- containerPort: 3306
name: mysql
env:
- name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
valueFrom:
secretKeyRef:
name: mysql-secret
key: password
volumeMounts:
- name: data
mountPath: /var/lib/mysql
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: data
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
storageClassName: "standard"
resources:
requests:
storage: 10GiStatefulSet 网络标识
StatefulSet: mysql, replicas: 3
Pod 名称:
- mysql-0
- mysql-1
- mysql-2
DNS 名称（需要 Headless Service）:
- mysql-0.mysql.default.svc.cluster.local
- mysql-1.mysql.default.svc.cluster.local
- mysql-2.mysql.default.svc.cluster.localHeadless Service
StatefulSet 需要配合 Headless Service 使用：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: mysql
spec:
clusterIP: None # Headless Service
selector:
app: mysql
ports:
- port: 3306
name: mysqlDaemonSet
DaemonSet 确保所有（或部分）节点上运行一个 Pod 副本。
典型用途
- 运行集群存储守护程序（如 glusterd、ceph）
- 运行日志收集守护程序（如 fluentd、logstash）
- 运行节点监控守护程序（如 Prometheus Node Exporter）
DaemonSet 定义
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
name: fluentd
namespace: kube-system
labels:
app: fluentd
spec:
selector:
matchLabels:
app: fluentd
template:
metadata:
labels:
app: fluentd
spec:
tolerations:
- key: node-role.kubernetes.io/control-plane
effect: NoSchedule
containers:
- name: fluentd
image: fluentd:v1.14
resources:
limits:
memory: 200Mi
requests:
cpu: 100m
memory: 200Mi
volumeMounts:
- name: varlog
mountPath: /var/log
- name: varlibdockercontainers
mountPath: /var/lib/docker/containers
readOnly: true
volumes:
- name: varlog
hostPath:
path: /var/log
- name: varlibdockercontainers
hostPath:
path: /var/lib/docker/containers仅在部分节点运行
使用节点选择器：
spec:
template:
spec:
nodeSelector:
disk: ssdJob 和 CronJob
Job
Job 用于运行一次性任务，确保任务成功完成。
apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
name: backup-job
spec:
completions: 1 # 需要成功完成的 Pod 数
parallelism: 1 # 并行运行的 Pod 数
backoffLimit: 4 # 失败重试次数
activeDeadlineSeconds: 600 # 超时时间
template:
spec:
restartPolicy: Never # Job 必须设置为 Never 或 OnFailure
containers:
- name: backup
image: backup-tool:1.0
command: ["/bin/sh", "-c", "backup.sh"]并行 Job
apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
name: parallel-job
spec:
completions: 10 # 需要完成 10 个任务
parallelism: 3 # 同时运行 3 个 Pod
template:
spec:
restartPolicy: Never
containers:
- name: worker
image: worker:1.0CronJob
CronJob 用于运行定时任务。
apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
name: daily-backup
spec:
schedule: "0 2 * * *" # 每天凌晨 2 点执行
concurrencyPolicy: Forbid # 禁止并发执行
successfulJobsHistoryLimit: 3
failedJobsHistoryLimit: 1
jobTemplate:
spec:
template:
spec:
restartPolicy: OnFailure
containers:
- name: backup
image: backup-tool:1.0
command: ["/bin/sh", "-c", "backup.sh"]Cron 表达式：
┌───────────── 分钟 (0 - 59)
│ ┌───────────── 小时 (0 - 23)
│ │ ┌───────────── 日 (1 - 31)
│ │ │ ┌───────────── 月 (1 - 12)
│ │ │ │ ┌───────────── 星期 (0 - 6，0 是周日)
│ │ │ │ │
* * * * *
示例：
"0 * * * *" 每小时
"0 0 * * *" 每天午夜
"0 0 * * 0" 每周日午夜
"0 0 1 * *" 每月 1 日午夜
"*/5 * * * *" 每 5 分钟工作负载对比
| 特性 | Deployment | StatefulSet | DaemonSet | Job/CronJob |
|---|---|---|---|---|
| 用途 | 无状态应用 | 有状态应用 | 节点守护程序 | 批处理任务 |
| Pod 标识 | 随机 | 固定顺序 | 节点绑定 | 随机 |
| 存储 | 共享 | 独立 | 节点本地 | 临时 |
| 扩缩容 | 任意顺序 | 有序 | 节点数决定 | N/A |
| 更新策略 | 滚动/重建 | 滚动 | 滚动 | N/A |
选择指南
- 无状态 Web 应用 → Deployment
- 数据库、消息队列 → StatefulSet
- 日志收集、监控代理 → DaemonSet
- 数据处理、备份任务 → Job/CronJob