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:1.0

ReplicaSet

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: 80

ReplicaSet 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                    │
│   └─────┘  └─────┘  └─────┘                                     │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

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-deployment

StatefulSet

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: 10Gi

StatefulSet 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.local

Headless 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: mysql

DaemonSet

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: ssd

Job 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:1.0

CronJob

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

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

云原生

数据库

消息队列

​概述

​Pod

​Pod 的特点

​Pod 定义示例

​多容器 Pod

​Pod 生命周期

​Init 容器

​ReplicaSet

​ReplicaSet 定义

​ReplicaSet 工作原理

​Deployment

​Deployment 定义

​创建 Deployment

​更新 Deployment

​滚动更新策略

​回滚 Deployment

​暂停和恢复更新

​StatefulSet

​StatefulSet 特点

​StatefulSet 定义

​StatefulSet 网络标识

​Headless Service

​DaemonSet

​典型用途

​DaemonSet 定义

​仅在部分节点运行

​Job 和 CronJob

​Job

​并行 Job

​CronJob

​工作负载对比

概述

Pod

Pod 的特点

Pod 定义示例

多容器 Pod

Pod 生命周期

Init 容器

ReplicaSet

ReplicaSet 定义

ReplicaSet 工作原理

Deployment

Deployment 定义

创建 Deployment

更新 Deployment

滚动更新策略

回滚 Deployment

暂停和恢复更新

StatefulSet

StatefulSet 特点

StatefulSet 定义

StatefulSet 网络标识

Headless Service

DaemonSet

典型用途

DaemonSet 定义

仅在部分节点运行

Job 和 CronJob

Job

并行 Job

CronJob

工作负载对比