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Kubernetes 运行一个有状态的应用程序

2022-06-14 10:21 更新

运行一个有状态的应用程序

本页展示如何使用 StatefulSet 控制器运行一个有状态的应用程序。此例是多副本的 MySQL 数据库。示例应用的拓扑结构有一个主服务器和多个副本，使用异步的基于行（Row-Based）的数据复制。

说明：这不是生产环境下配置。尤其注意，MySQL 设置都使用的是不安全的默认值，这是因为我们想把重点放在 Kubernetes 中运行有状态应用程序的一般模式上。

在开始之前

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你的 Kubernetes 集群必须带有 kubectl 命令行工具。建议在至少有两个节点的集群上运行本教程，且这些节点不作为控制平面主机。如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群，或者你可以使用下面任意一个 Kubernetes 工具构建：

要获知版本信息，请输入 kubectl version。

你需要有一个带有默认 StorageClass的动态 PersistentVolume 供应程序，或者自己静态的提供 PersistentVolume 来满足这里使用的 PersistentVolumeClaim。
本教程假定你熟悉 PersistentVolumes 与 StatefulSet, 以及其他核心概念，例如 Pod、服务与 ConfigMap.
熟悉 MySQL 会有所帮助，但是本教程旨在介绍对其他系统应该有用的常规模式。
你正在使用默认命名空间或不包含任何冲突对象的另一个命名空间。

教程目标

使用 StatefulSet 控制器部署多副本 MySQL 拓扑架构。
发送 MySQL 客户端请求
观察对宕机的抵抗力
扩缩 StatefulSet 的规模

部署 MySQL

MySQL 示例部署包含一个 ConfigMap、两个 Service 与一个 StatefulSet。

ConfigMap

使用以下的 YAML 配置文件创建 ConfigMap ：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
data:
  primary.cnf: |
    # Apply this config only on the primary.
    [mysqld]
    log-bin
    datadir=/var/lib/mysql/mysql    
  replica.cnf: |
    # Apply this config only on replicas.
    [mysqld]
    super-read-only
    datadir=/var/lib/mysql/mysql

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/mysql/mysql-configmap.yaml

这个 ConfigMap 提供 my.cnf 覆盖设置，使你可以独立控制 MySQL 主服务器和从服务器的配置。在这里，你希望主服务器能够将复制日志提供给副本服务器，并且希望副本服务器拒绝任何不是通过复制进行的写操作。

ConfigMap 本身没有什么特别之处，因而也不会出现不同部分应用于不同的 Pod 的情况。每个 Pod 都会在初始化时基于 StatefulSet 控制器提供的信息决定要查看的部分。

服务

使用以下 YAML 配置文件创建服务：

# Headless service for stable DNS entries of StatefulSet members.
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql
---
# Client service for connecting to any MySQL instance for reads.
# For writes, you must instead connect to the primary: mysql-0.mysql.
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-read
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  selector:
    app: mysql

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/mysql/mysql-services.yaml

这个无头服务给 StatefulSet 控制器为集合中每个 Pod 创建的 DNS 条目提供了一个宿主。因为无头服务名为 mysql，所以可以通过在同一 Kubernetes 集群和命名空间中的任何其他 Pod 内解析 <Pod 名称>.mysql 来访问 Pod。

客户端服务称为 mysql-read，是一种常规服务，具有其自己的集群 IP。该集群 IP 在报告就绪的所有MySQL Pod 之间分配连接。可能的端点集合包括 MySQL 主节点和所有副本节点。

请注意，只有读查询才能使用负载平衡的客户端服务。因为只有一个 MySQL 主服务器，所以客户端应直接连接到 MySQL 主服务器 Pod （通过其在无头服务中的 DNS 条目）以执行写入操作。

StatefulSet

最后，使用以下 YAML 配置文件创建 StatefulSet：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  serviceName: mysql
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      initContainers:
      - name: init-mysql
        image: mysql:5.7
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          # 基于 Pod 序号生成 MySQL 服务器的 ID。
          [[ `hostname` =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 添加偏移量以避免使用 server-id=0 这一保留值。
          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # Copy appropriate conf.d files from config-map to emptyDir.
          # 将合适的 conf.d 文件从 config-map 复制到 emptyDir。
          if [[ $ordinal -eq 0 ]]; then
            cp /mnt/config-map/primary.cnf /mnt/conf.d/
          else
            cp /mnt/config-map/replica.cnf /mnt/conf.d/
          fi          
        volumeMounts:
        - name: conf
          mountPath: /mnt/conf.d
        - name: config-map
          mountPath: /mnt/config-map
      - name: clone-mysql
        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          # 如果已有数据，则跳过克隆。
          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 0
          # 跳过主实例（序号索引 0）的克隆。
          [[ `hostname` =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          [[ $ordinal -eq 0 ]] && exit 0
          # 从原来的对等节点克隆数据。
          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql
          # 准备备份。
          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql          
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
          value: "1"
        ports:
        - name: mysql
          containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
        livenessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping"]
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
        readinessProbe:
          exec:
            # 检查我们是否可以通过 TCP 执行查询（skip-networking 是关闭的）。
            command: ["mysql", "-h", "127.0.0.1", "-e", "SELECT 1"]
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 2
          timeoutSeconds: 1
      - name: xtrabackup
        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0
        ports:
        - name: xtrabackup
          containerPort: 3307
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          cd /var/lib/mysql

          # 确定克隆数据的 binlog 位置（如果有的话）。
          if [[ -f xtrabackup_slave_info && "x$(<xtrabackup_slave_info)" != "x" ]]; then
            # XtraBackup 已经生成了部分的 “CHANGE MASTER TO” 查询
            # 因为我们从一个现有副本进行克隆。(需要删除末尾的分号!)
            cat xtrabackup_slave_info | sed -E 's/;$//g' > change_master_to.sql.in
            # 在这里要忽略 xtrabackup_binlog_info （它是没用的）。
            rm -f xtrabackup_slave_info xtrabackup_binlog_info
          elif [[ -f xtrabackup_binlog_info ]]; then
            # 我们直接从主实例进行克隆。解析 binlog 位置。
            [[ `cat xtrabackup_binlog_info` =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1
            rm -f xtrabackup_binlog_info xtrabackup_slave_info
            echo "CHANGE MASTER TO MASTER_LOG_FILE='${BASH_REMATCH[1]}',\
                  MASTER_LOG_POS=${BASH_REMATCH[2]}" > change_master_to.sql.in
          fi

          # 检查我们是否需要通过启动复制来完成克隆。
          if [[ -f change_master_to.sql.in ]]; then
            echo "Waiting for mysqld to be ready (accepting connections)"
            until mysql -h 127.0.0.1 -e "SELECT 1"; do sleep 1; done

            echo "Initializing replication from clone position"
            mysql -h 127.0.0.1 \
                  -e "$(<change_master_to.sql.in), \
                          MASTER_HOST='mysql-0.mysql', \
                          MASTER_USER='root', \
                          MASTER_PASSWORD='', \
                          MASTER_CONNECT_RETRY=10; \
                        START SLAVE;" || exit 1
            # 如果容器重新启动，最多尝试一次。
            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig
          fi

          # 当对等点请求时，启动服务器发送备份。
          exec ncat --listen --keep-open --send-only --max-conns=1 3307 -c \
            "xtrabackup --backup --slave-info --stream=xbstream --host=127.0.0.1 --user=root"          
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 100Mi
      volumes:
      - name: conf
        emptyDir: {}
      - name: config-map
        configMap:
          name: mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/mysql/mysql-statefulset.yaml

你可以通过运行以下命令查看启动进度：

kubectl get pods -l app=mysql --watch

一段时间后，你应该看到所有 3 个 Pod 进入 Running 状态：

NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-0   2/2       Running   0          2m
mysql-1   2/2       Running   0          1m
mysql-2   2/2       Running   0          1m

输入 Ctrl+C 结束 watch 操作。如果你看不到任何进度，确保已启用前提条件中提到的动态 PersistentVolume 预配器。

此清单使用多种技术来管理作为 StatefulSet 的一部分的有状态 Pod。下一节重点介绍其中的一些技巧，以解释 StatefulSet 创建 Pod 时发生的状况。

了解有状态的 Pod 初始化

StatefulSet 控制器按序数索引顺序地每次启动一个 Pod。它一直等到每个 Pod 报告就绪才再启动下一个 Pod。

此外，控制器为每个 Pod 分配一个唯一、稳定的名称，形如 <statefulset 名称>-<序数索引>，其结果是 Pods 名为 mysql-0、mysql-1 和 mysql-2。

上述 StatefulSet 清单中的 Pod 模板利用这些属性来执行 MySQL 副本的有序启动。

生成配置

在启动 Pod 规约中的任何容器之前，Pod 首先按顺序运行所有的 Init 容器。

第一个名为 init-mysql 的 Init 容器根据序号索引生成特殊的 MySQL 配置文件。

该脚本通过从 Pod 名称的末尾提取索引来确定自己的序号索引，而 Pod 名称由 hostname 命令返回。然后将序数（带有数字偏移量以避免保留值）保存到 MySQL conf.d 目录中的文件 server-id.cnf。这一操作将 StatefulSet 所提供的唯一、稳定的标识转换为 MySQL 服务器的 ID，而这些 ID 也是需要唯一性、稳定性保证的。

通过将内容复制到 conf.d 中，init-mysql 容器中的脚本也可以应用 ConfigMap 中的 primary.cnf 或 replica.cnf。由于示例部署结构由单个 MySQL 主节点和任意数量的副本节点组成，因此脚本仅将序数 0 指定为主节点，而将其他所有节点指定为副本节点。

与 StatefulSet 控制器的部署顺序保证相结合，可以确保 MySQL 主服务器在创建副本服务器之前已准备就绪，以便它们可以开始复制。

克隆现有数据

通常，当新 Pod 作为副本节点加入集合时，必须假定 MySQL 主节点可能已经有数据。还必须假设复制日志可能不会一直追溯到时间的开始。

这些保守的假设是允许正在运行的 StatefulSet 随时间扩大和缩小而不是固定在其初始大小的关键。

第二个名为 clone-mysql 的 Init 容器，第一次在带有空 PersistentVolume 的副本 Pod 上启动时，会在从属 Pod 上执行克隆操作。这意味着它将从另一个运行中的 Pod 复制所有现有数据，使此其本地状态足够一致，从而可以开始从主服务器复制。

MySQL 本身不提供执行此操作的机制，因此本示例使用了一种流行的开源工具 Percona XtraBackup。在克隆期间，源 MySQL 服务器性能可能会受到影响。为了最大程度地减少对 MySQL 主服务器的影响，该脚本指示每个 Pod 从序号较低的 Pod 中克隆。可以这样做的原因是 StatefulSet 控制器始终确保在启动 Pod N + 1 之前 Pod N 已准备就绪。

开始复制

Init 容器成功完成后，应用容器将运行。 MySQL Pod 由运行实际 mysqld 服务的 mysql 容器和充当辅助工具的 xtrabackup 容器组成。

xtrabackup sidecar 容器查看克隆的数据文件，并确定是否有必要在副本服务器上初始化 MySQL 复制。如果是这样，它将等待 mysqld 准备就绪，然后使用从 XtraBackup 克隆文件中提取的复制参数执行 CHANGE MASTER TO 和 START SLAVE 命令。

一旦副本服务器开始复制后，它会记住其 MySQL 主服务器，并且如果服务器重新启动或连接中断也会自动重新连接。另外，因为副本服务器会以其稳定的 DNS 名称查找主服务器（mysql-0.mysql），即使由于重新调度而获得新的 Pod IP，它们也会自动找到主服务器。

最后，开始复制后，xtrabackup 容器监听来自其他 Pod 的连接，处理其数据克隆请求。如果 StatefulSet 扩大规模，或者下一个 Pod 失去其 PersistentVolumeClaim 并需要重新克隆，则此服务器将无限期保持运行。

发送客户端请求

你可以通过运行带有 mysql:5.7 镜像的临时容器并运行 mysql 客户端二进制文件，将测试查询发送到 MySQL 主服务器（主机名 mysql-0.mysql）。

kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i --rm --restart=Never --\
  mysql -h mysql-0.mysql <<EOF
CREATE DATABASE test;
CREATE TABLE test.messages (message VARCHAR(250));
INSERT INTO test.messages VALUES ('hello');
EOF

使用主机名 mysql-read 将测试查询发送到任何报告为就绪的服务器：

kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never --\
  mysql -h mysql-read -e "SELECT * FROM test.messages"

你应该获得如下输出：

Waiting for pod default/mysql-client to be running, status is Pending, pod ready: false
+---------+
| message |
+---------+
| hello   |
+---------+
pod "mysql-client" deleted

为了演示 mysql-read 服务在服务器之间分配连接，你可以在循环中运行 SELECT @@server_id：

kubectl run mysql-client-loop --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never --\
  bash -ic "while sleep 1; do mysql -h mysql-read -e 'SELECT @@server_id,NOW()'; done"

你应该看到报告的 @@server_id 发生随机变化，因为每次尝试连接时都可能选择了不同的端点：

+-------------+---------------------+
| @@server_id | NOW()               |
+-------------+---------------------+
|         100 | 2006-01-02 15:04:05 |
+-------------+---------------------+
+-------------+---------------------+
| @@server_id | NOW()               |
+-------------+---------------------+
|         102 | 2006-01-02 15:04:06 |
+-------------+---------------------+
+-------------+---------------------+
| @@server_id | NOW()               |
+-------------+---------------------+
|         101 | 2006-01-02 15:04:07 |
+-------------+---------------------+

要停止循环时可以按 Ctrl+C ，但是让它在另一个窗口中运行非常有用，这样你就可以看到以下步骤的效果。

模拟 Pod 和 Node 的宕机时间

为了证明从副本节点缓存而不是单个服务器读取数据的可用性提高，请在使 Pod 退出 Ready 状态时，保持上述 SELECT @@server_id 循环一直运行。

破坏就绪态探测

mysql 容器的就绪态探测运行命令 mysql -h 127.0.0.1 -e 'SELECT 1'，以确保服务器已启动并能够执行查询。

迫使就绪态探测失败的一种方法就是中止该命令：

kubectl exec mysql-2 -c mysql -- mv /usr/bin/mysql /usr/bin/mysql.off

此命令会进入 Pod mysql-2 的实际容器文件系统，重命名 mysql 命令，导致就绪态探测无法找到它。几秒钟后， Pod 会报告其中一个容器未就绪。你可以通过运行以下命令进行检查：

kubectl get pod mysql-2

在 READY 列中查找 1/2：

NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-2   1/2       Running   0          3m

此时，你应该会看到 SELECT @@server_id 循环继续运行，尽管它不再报告 102。回想一下，init-mysql 脚本将 server-id 定义为 100 + $ordinal，因此服务器 ID 102 对应于 Pod mysql-2。

现在修复 Pod，几秒钟后它应该重新出现在循环输出中：

kubectl exec mysql-2 -c mysql -- mv /usr/bin/mysql.off /usr/bin/mysql

删除 Pods

如果删除了 Pod，则 StatefulSet 还会重新创建 Pod，类似于 ReplicaSet 对无状态 Pod 所做的操作。

kubectl delete pod mysql-2

StatefulSet 控制器注意到不再存在 mysql-2 Pod，于是创建一个具有相同名称并链接到相同 PersistentVolumeClaim 的新 Pod。你应该看到服务器 ID 102 从循环输出中消失了一段时间，然后又自行出现。

腾空节点

如果你的 Kubernetes 集群具有多个节点，则可以通过发出以下 drain 命令来模拟节点停机（就好像节点在被升级）。

首先确定 MySQL Pod 之一在哪个节点上：

kubectl get pod mysql-2 -o wide

节点名称应显示在最后一列中：

NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
mysql-2   2/2       Running   0          15m       10.244.5.27   kubernetes-node-9l2t

然后通过运行以下命令腾空节点，该命令将其保护起来，以使新的 Pod 不能调度到该节点，然后逐出所有现有的 Pod。将 <节点名称> 替换为在上一步中找到的节点名称。

这可能会影响节点上的其他应用程序，因此最好 仅在测试集群中执行此操作。

kubectl drain <节点名称> --force --delete-local-data --ignore-daemonsets

现在，你可以看到 Pod 被重新调度到其他节点上：

kubectl get pod mysql-2 -o wide --watch

它看起来应该像这样：

NAME      READY   STATUS          RESTARTS   AGE       IP            NODE
mysql-2   2/2     Terminating     0          15m       10.244.1.56   kubernetes-node-9l2t
[...]
mysql-2   0/2     Pending         0          0s        <none>        kubernetes-node-fjlm
mysql-2   0/2     Init:0/2        0          0s        <none>        kubernetes-node-fjlm
mysql-2   0/2     Init:1/2        0          20s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm
mysql-2   0/2     PodInitializing 0          21s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm
mysql-2   1/2     Running         0          22s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm
mysql-2   2/2     Running         0          30s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm

再次，你应该看到服务器 ID 102 从 SELECT @@server_id 循环输出中消失一段时间，然后自行出现。

现在去掉节点保护（Uncordon），使其恢复为正常模式:

kubectl uncordon <节点名称>

扩展副本节点数量

使用 MySQL 复制，你可以通过添加副本节点来扩展读取查询的能力。使用 StatefulSet，你可以使用单个命令执行此操作：

kubectl scale statefulset mysql --replicas=5

查看新的 Pod 的运行情况：

kubectl get pods -l app=mysql --watch

一旦 Pod 启动，你应该看到服务器 IDs 103 和 104 开始出现在 SELECT @@server_id 循环输出中。

你还可以验证这些新服务器在存在之前已添加了数据：

kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never --\
  mysql -h mysql-3.mysql -e "SELECT * FROM test.messages"

Waiting for pod default/mysql-client to be running, status is Pending, pod ready: false
+---------+
| message |
+---------+
| hello   |
+---------+
pod "mysql-client" deleted

向下缩容操作也是很平滑的：

kubectl scale statefulset mysql --replicas=3

但是请注意，按比例扩大会自动创建新的 PersistentVolumeClaims，而按比例缩小不会自动删除这些 PVC。这使你可以选择保留那些初始化的 PVC，以更快地进行缩放，或者在删除它们之前提取数据。

你可以通过运行以下命令查看此信息：

kubectl get pvc -l app=mysql

这表明，尽管将 StatefulSet 缩小为3，所有5个 PVC 仍然存在：

NAME           STATUS    VOLUME                                     CAPACITY   ACCESSMODES   AGE
data-mysql-0   Bound     pvc-8acbf5dc-b103-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           20m
data-mysql-1   Bound     pvc-8ad39820-b103-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           20m
data-mysql-2   Bound     pvc-8ad69a6d-b103-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           20m
data-mysql-3   Bound     pvc-50043c45-b1c5-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           2m
data-mysql-4   Bound     pvc-500a9957-b1c5-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           2m

如果你不打算重复使用多余的 PVC，则可以删除它们：

kubectl delete pvc data-mysql-3
kubectl delete pvc data-mysql-4

清理现场

通过在终端上按 Ctrl+C 取消 SELECT @@server_id 循环，或从另一个终端运行以下命令：

kubectl delete pod mysql-client-loop --now

删除 StatefulSet。这也会开始终止 Pod。
```
kubectl delete statefulset mysql
```
验证 Pod 消失。他们可能需要一些时间才能完成终止。
```
kubectl get pods -l app=mysql
```
当上述命令返回如下内容时，你就知道 Pod 已终止：
```
No resources found.
```
删除 ConfigMap、Services 和 PersistentVolumeClaims。
```
kubectl delete configmap,service,pvc -l app=mysql
```
如果你手动供应 PersistentVolume，则还需要手动删除它们，并释放下层资源。如果你使用了动态预配器，当得知你删除 PersistentVolumeClaims 时，它将自动删除 PersistentVolumes。一些动态预配器（例如用于 EBS 和 PD 的预配器）也会在删除 PersistentVolumes 时释放下层资源。

以上内容是否对您有帮助：

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