k8s的Pod状态和生命周期管理

Pod状态和生命周期管理

 

一、什么是Pod？

二、Pod中如何管理多个容器？

三、使用Pod

四、Pod的持久性和终止

五、Pause容器

六、init容器

七、Pod的生命周期

（1）Pod phase（Pod的相位）

（2）Pod的创建过程

（3）Pod的状态

（4）Pod存活性探测

（5）livenessProbe和readinessProbe使用场景

（6）Pod的重启策略

（7）Pod的生命

（8）livenessProbe解析

 

 

 

一、什么是Pod？

Pod是kubernetes中你可以创建和部署的最小也是最简的单位。一个Pod代表着集群中运行的一个进程。

 

Pod中封装着应用的容器（有的情况下是好几个容器），存储、独立的网络IP，管理容器如何运行的策略选项。Pod代表着部署的一个单位：kubernetes中应用的一个实例，可能由一个或者多个容器组合在一起共享资源。

 

在Kubrenetes集群中Pod有如下两种使用方式：

一个Pod中运行一个容器。“每个Pod中一个容器”的模式是最常见的用法；在这种使用方式中，你可以把Pod想象成是单个容器的封装，kuberentes管理的是Pod而不是直接管理容器。

在一个Pod中同时运行多个容器。一个Pod中也可以同时封装几个需要紧密耦合互相协作的容器，它们之间共享资源。这些在同一个Pod中的容器可以互相协作成为一个service单位——一个容器共享文件，另一个“sidecar”容器来更新这些文件。Pod将这些容器的存储资源作为一个实体来管理。

 

Pod中共享的环境包括Linux的namespace，cgroup和其他可能的隔绝环境，这一点跟Docker容器一致。在Pod的环境中，每个容器中可能还有更小的子隔离环境。

Pod中的容器共享IP地址和端口号，它们之间可以通过localhost互相发现。它们之间可以通过进程间通信，需要明白的是同一个Pod下的容器是通过lo网卡进行通信。例如SystemV信号或者POSIX共享内存。不同Pod之间的容器具有不同的IP地址，不能直接通过IPC通信。

 

Pod中的容器也有访问共享volume的权限，这些volume会被定义成pod的一部分并挂载到应用容器的文件系统中。

就像每个应用容器，pod被认为是临时实体。在Pod的生命周期中，pod被创建后，被分配一个唯一的ID（UID），调度到节点上，并一致维持期望的状态直到被终结（根据重启策略）或者被删除。如果node死掉了，分配到了这个node上的pod，在经过一个超时时间后会被重新调度到其他node节点上。一个给定的pod（如UID定义的）不会被“重新调度”到新的节点上，而是被一个同样的pod取代，如果期望的话甚至可以是相同的名字，但是会有一个新的UID（查看replication controller获取详情）。

 

二、Pod中如何管理多个容器？

Pod中可以同时运行多个进程（作为容器运行）协同工作。同一个Pod中的容器会自动的分配到同一个 node 上。同一个Pod中的容器共享资源、网络环境和依赖，它们总是被同时调度。

 

注意在一个Pod中同时运行多个容器是一种比较高级的用法。只有当你的容器需要紧密配合协作的时候才考虑用这种模式。例如，你有一个容器作为web服务器运行，需要用到共享的volume，有另一个“sidecar”容器来从远端获取资源更新这些文件，

 

Pod中可以共享两种资源：网络和存储。

网络：

　　每个Pod都会被分配一个唯一的IP地址。Pod中的所有容器共享网络空间，包括IP地址和端口。Pod内部的容器可以使用localhost互相通信。Pod中的容器与外界通信时，必须分配共享网络资源（例如使用宿主机的端口映射）。

 

存储：

　　可以Pod指定多个共享的Volume。Pod中的所有容器都可以访问共享的volume。Volume也可以用来持久化Pod中的存储资源，以防容器重启后文件丢失。

 

 

三、使用Pod

通常把Pod分为两类：

 

自主式Pod ：这种Pod本身是不能自我修复的，当Pod被创建后（不论是由你直接创建还是被其他Controller），都会被Kuberentes调度到集群的Node上。直到Pod的进程终止、被删掉、因为缺少资源而被驱逐、或者Node故障之前这个Pod都会一直保持在那个Node上。Pod不会自愈。如果Pod运行的Node故障，或者是调度器本身故障，这个Pod就会被删除。同样的，如果Pod所在Node缺少资源或者Pod处于维护状态，Pod也会被驱逐。

控制器管理的Pod：Kubernetes使用更高级的称为Controller的抽象层，来管理Pod实例。Controller可以创建和管理多个Pod，提供副本管理、滚动升级和集群级别的自愈能力。例如，如果一个Node故障，Controller就能自动将该节点上的Pod调度到其他健康的Node上。虽然可以直接使用Pod，但是在Kubernetes中通常是使用Controller来管理Pod的。如下图：

每个Pod都有一个特殊的被称为“根容器”的Pause 容器。 Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或者多个紧密相关的用户业务容器。

 

Kubernetes设计这样的Pod概念和特殊组成结构有什么用意？

原因一：在一组容器作为一个单元的情况下，难以对整体的容器简单地进行判断及有效地进行行动。比如，一个容器死亡了，此时是算整体挂了么？那么引入与业务无关的Pause容器作为Pod的根容器，以它的状态代表着整个容器组的状态，这样就可以解决该问题。

原因二：Pod里的多个业务容器共享Pause容器的IP，共享Pause容器挂载的Volume，这样简化了业务容器之间的通信问题，也解决了容器之间的文件共享问题。

 

 

四、Pod的持久性和终止

（1）Pod的持久性

Pod在设计支持就不是作为持久化实体的。在调度失败、节点故障、缺少资源或者节点维护的状态下都会死掉会被驱逐。

通常，用户不需要手动直接创建Pod，而是应该使用controller（例如Deployments），即使是在创建单个Pod的情况下。Controller可以提供集群级别的自愈功能、复制和升级管理。

 

（2）Pod的终止

因为Pod作为在集群的节点上运行的进程，所以在不再需要的时候能够优雅的终止掉是十分必要的（比起使用发送KILL信号这种暴力的方式）。用户需要能够放松删除请求，并且知道它们何时会被终止，是否被正确的删除。用户想终止程序时发送删除pod的请求，在pod可以被强制删除前会有一个宽限期，会发送一个TERM请求到每个容器的主进程。一旦超时，将向主进程发送KILL信号并从API server中删除。如果kubelet或者container manager在等待进程终止的过程中重启，在重启后仍然会重试完整的宽限期。

 

示例流程如下：

 

用户发送删除pod的命令，默认宽限期是30秒；

在Pod超过该宽限期后API server就会更新Pod的状态为“dead”；

在客户端命令行上显示的Pod状态为“terminating”；

跟第三步同时，当kubelet发现pod被标记为“terminating”状态时，开始停止pod进程：

如果在pod中定义了preStop hook，在停止pod前会被调用。如果在宽限期过后，preStop hook依然在运行，第二步会再增加2秒的宽限期；

向Pod中的进程发送TERM信号；

跟第三步同时，该Pod将从该service的端点列表中删除，不再是replication controller的一部分。关闭的慢的pod将继续处理load balancer转发的流量；

过了宽限期后，将向Pod中依然运行的进程发送SIGKILL信号而杀掉进程。

Kublete会在API server中完成Pod的的删除，通过将优雅周期设置为0（立即删除）。Pod在API中消失，并且在客户端也不可见。

删除宽限期默认是30秒。 kubectl delete命令支持 —grace-period=<seconds> 选项，允许用户设置自己的宽限期。如果设置为0将强制删除pod。在kubectl>=1.5版本的命令中，你必须同时使用 --force 和 --grace-period=0 来强制删除pod。

 

Pod的强制删除是通过在集群和etcd中将其定义为删除状态。当执行强制删除命令时，API server不会等待该pod所运行在节点上的kubelet确认，就会立即将该pod从API server中移除，这时就可以创建跟原pod同名的pod了。这时，在节点上的pod会被立即设置为terminating状态，不过在被强制删除之前依然有一小段优雅删除周期。

 

 

五、Pause容器

Pause容器，又叫Infra容器。我们检查node节点的时候会发现每个node上都运行了很多的pause容器

kubernetes中的pause容器主要为每个业务容器提供以下功能：

 

在pod中担任Linux命名空间共享的基础；

启用pid命名空间，开启init进程。

 

解析

pause容器将内部的80端口映射到宿主机的8880端口，pause容器在宿主机上设置好了网络namespace后，nginx容器加入到该网络namespace中，我们看到nginx容器启动的时候指定了--net=container:pause，ghost容器同样加入到了该网络namespace中，这样三个容器就共享了网络，互相之间就可以使用localhost直接通信，--ipc=contianer:pause --pid=container:pause就是三个容器处于同一个namespace中，init进程为pause，这时我们进入到ghost容器中查看进程情况。

 

在ghost容器中同时可以看到pause和nginx容器的进程，并且pause容器的PID是1。而在kubernetes中容器的PID=1的进程即为容器本身的业务进程。

 

 

六、init容器

Pod 能够具有多个容器，应用运行在容器里面，但是它也可能有一个或多个先于应用容器启动的 Init 容器。

Init 容器与普通的容器非常像，除了如下两点：

Init 容器总是运行到成功完成为止。

每个 Init 容器都必须在下一个 Init 容器启动之前成功完成。

如果 Pod 的 Init 容器失败，Kubernetes 会不断地重启该 Pod，直到 Init 容器成功为止。然而，如果 Pod 对应的 restartPolicy 为 Never，它不会重新启动。

 

初始化容器，顾名思义容器启动的时候，会先启动可一个或多个容器，如果有多个，那么这几个Init Container按照定义的顺序依次执行，只有所有的Init Container执行完后，主容器才会启动。由于一个Pod里的存储卷是共享的，所以Init Container里产生的数据可以被主容器使用到。 Init Container可以在多种K8S资源里被使用到如Deployment、Daemon Set, Pet Set, Job等，但归根结底都是在Pod启动时，在主容器启动前执行，做初始化工作。

应用场景：       

 

第一种场景：等待其它模块Ready，比如我们有一个应用里面有两个容器化的服务，一个是Web Server，另一个是数据库。其中Web Server需要访问数据库。但是当我们启动这个应用的时候，并不能保证数据库服务先启动起来，所以可能出现在一段时间内Web Server有数据库连接错误。为了解决这个问题，我们可以在运行Web Server服务的Pod里使用一个InitContainer，去检查数据库是否准备好，直到数据库可以连接，Init Container才结束退出，然后Web Server容器被启动，发起正式的数据库连接请求。 第二种场景：初始化配置，比如集群里检测所有已经存在的成员节点，为主容器准备好集群的配置信息，这样主容器起来后就能用这个配置信息加入集群。 其它使用场景：如将pod注册到一个中央数据库、下载应用依赖等。

 

 

七、Pod的生命周期

（1）Pod phase（Pod的相位）

Pod 的 status 在信息保存在 PodStatus 中定义，其中有一个 phase 字段。

Pod 的相位（phase）是 Pod 在其生命周期中的简单宏观概述。该阶段并不是对容器或 Pod 的综合汇总，也不是为了做为综合状态机。

Pod 相位的数量和含义是严格指定的。除了本文档中列举的状态外，不应该再假定 Pod 有其他的 phase值。

 

下面是 phase 可能的值：

挂起（Pending）：API Server创建了Pod资源对象并已经存入了etcd中，但是它并未被调度完成，或者仍然处于从仓库下载镜像的过程中。

运行中（Running）：Pod已经被调度到某节点之上，并且所有容器都已经被kubelet创建完成。

成功（Succeeded）：Pod 中的所有容器都被成功终止，并且不会再重启。

失败（Failed）：Pod 中的所有容器都已终止了，并且至少有一个容器是因为失败终止。也就是说，容器以非0状态退出或者被系统终止。

未知（Unknown）：因为某些原因无法取得 Pod 的状态，通常是因为与 Pod 所在主机通信失败。

 

（2）Pod的创建过程

Pod是Kubernetes的基础单元，了解其创建的过程，更有助于理解系统的运作。

①用户通过kubectl或其他API客户端提交Pod Spec给API Server。

②API Server尝试将Pod对象的相关信息存储到etcd中，等待写入操作完成，API Server返回确认信息到客户端。

③API Server开始反映etcd中的状态变化。

④所有的Kubernetes组件通过"watch"机制跟踪检查API Server上的相关信息变动。

⑤kube-scheduler（调度器）通过其"watcher"检测到API Server创建了新的Pod对象但是没有绑定到任何工作节点。

⑥kube-scheduler为Pod对象挑选一个工作节点并将结果信息更新到API Server。

⑦调度结果新消息由API Server更新到etcd，并且API Server也开始反馈该Pod对象的调度结果。

⑧Pod被调度到目标工作节点上的kubelet尝试在当前节点上调用docker engine进行启动容器，并将容器的状态结果返回到API Server。

⑨API Server将Pod信息存储到etcd系统中。

⑩在etcd确认写入操作完成，API Server将确认信息发送到相关的kubelet。

 

（3）Pod的状态

Pod 有一个 PodStatus 对象，其中包含一个 PodCondition 数组。 PodCondition 数组的每个元素都有一个 type 字段和一个 status 字段。type 字段是字符串，可能的值有 PodScheduled、Ready、Initialized 和 Unschedulable。status 字段是一个字符串，可能的值有 True、False 和 Unknown。

 

（4）Pod存活性探测

在pod生命周期中可以做的一些事情。主容器启动前可以完成初始化容器，初始化容器可以有多个，他们是串行执行的，执行完成后就推出了，在主程序刚刚启动的时候可以指定一个post start 主程序启动开始后执行一些操作，在主程序结束前可以指定一个 pre stop 表示主程序结束前执行的一些操作。在程序启动后可以做两类检测 liveness probe（存活性探测） 和 readness probe（就绪性探测）。

 

探针是由 kubelet 对容器执行的定期诊断。要执行诊断，kubelet 调用由容器实现的Handler。其存活性探测的方法有以下三种：

ExecAction：在容器内执行指定命令。如果命令退出时返回码为 0 则认为诊断成功。

TCPSocketAction：对指定端口上的容器的 IP 地址进行 TCP 检查。如果端口打开，则诊断被认为是成功的。

HTTPGetAction：对指定的端口和路径上的容器的 IP 地址执行 HTTP Get 请求。如果响应的状态码大于等于200 且小于 400，则诊断被认为是成功的。

 

上面的资源清单文件，向Pod IP的80/tcp端口发起连接请求，并根据连接建立的状态判断Pod存活状态。

每次探测都将获得以下三种结果之一：

成功：容器通过了诊断。

失败：容器未通过诊断。

未知：诊断失败，因此不会采取任何行动。

Kubelet 可以选择是否执行在容器上运行的两种探针执行和做出反应：

 

livenessProbe：指示容器是否正在运行。如果存活探测失败，则 kubelet 会杀死容器，并且容器将受到其 重启策略 的影响。如果容器不提供存活探针，则默认状态为 Success。

readinessProbe：指示容器是否准备好服务请求。如果就绪探测失败，端点控制器将从与 Pod 匹配的所有 Service 的端点中删除该 Pod 的 IP 地址。初始延迟之前的就绪状态默认为 Failure。如果容器不提供就绪探针，则默认状态为 Success。

 

（5）livenessProbe和readinessProbe使用场景

如果容器中的进程能够在遇到问题或不健康的情况下自行崩溃，则不一定需要存活探针; kubelet 将根据 Pod 的restartPolicy 自动执行正确的操作。

如果希望容器在探测失败时被杀死并重新启动，那么请指定一个存活探针，并指定restartPolicy 为 Always 或 OnFailure。

如果要仅在探测成功时才开始向 Pod 发送流量，请指定就绪探针。在这种情况下，就绪探针可能与存活探针相同，但是 spec 中的就绪探针的存在意味着 Pod 将在没有接收到任何流量的情况下启动，并且只有在探针探测成功后才开始接收流量。

 

如果您希望容器能够自行维护，您可以指定一个就绪探针，该探针检查与存活探针不同的端点。

请注意，如果您只想在 Pod 被删除时能够排除请求，则不一定需要使用就绪探针；在删除 Pod 时，Pod 会自动将自身置于未完成状态，无论就绪探针是否存在。当等待 Pod 中的容器停止时，Pod 仍处于未完成状态。

 

（6）Pod的重启策略

PodSpec 中有一个 restartPolicy 字段，可能的值为 Always、OnFailure 和 Never。默认为 Always。 restartPolicy 适用于 Pod 中的所有容器。restartPolicy 仅指通过同一节点上的 kubelet 重新启动容器。失败的容器由 kubelet 以五分钟为上限的指数退避延迟（10秒，20秒，40秒...）重新启动，并在成功执行十分钟后重置。pod一旦绑定到一个节点，Pod 将永远不会重新绑定到另一个节点。

 

（7）Pod的生命

一般来说，Pod 不会消失，直到人为销毁他们。这可能是一个人或控制器。这个规则的唯一例外是成功或失败的 phase 超过一段时间（由 master 确定）的Pod将过期并被自动销毁。

 

有三种可用的控制器：

 

使用 Job 运行预期会终止的 Pod，例如批量计算。Job 仅适用于重启策略为 OnFailure 或 Never 的 Pod。

对预期不会终止的 Pod 使用 ReplicationController、ReplicaSet 和 Deployment ，例如 Web 服务器。 ReplicationController 仅适用于具有 restartPolicy 为 Always 的 Pod。

提供特定于机器的系统服务，使用 DaemonSet 为每台机器运行一个 Pod 。

所有这三种类型的控制器都包含一个 PodTemplate。建议创建适当的控制器，让它们来创建 Pod，而不是直接自己创建 Pod。这是因为单独的 Pod 在机器故障的情况下没有办法自动复原，而控制器却可以。

 

如果节点死亡或与集群的其余部分断开连接，则 Kubernetes 将应用一个策略将丢失节点上的所有 Pod 的 phase 设置为 Failed。

 

（8）livenessProbe解析

[root@k8s-master ~]# kubectl explain pod.spec.containers.livenessProbe

KIND: Pod

VERSION: v1

RESOURCE: livenessProbe <Object>

exec command 的方式探测 例如 ps 一个进程

failureThreshold 探测几次失败 才算失败 默认是连续三次

periodSeconds 每次的多长时间探测一次 默认10s

timeoutSeconds 探测超市的秒数 默认1s

initialDelaySeconds 初始化延迟探测，第一次探测的时候，因为主程序未必启动完成

tcpSocket 检测端口的探测

httpGet http请求探测

 

举个例子：定义一个liveness的pod资源类型，基础镜像为busybox，在busybox这个容器启动后会执行创建/tmp/test的文件啊，并删除，然后等待3600秒。随后定义了存活性探测，方式是以exec的方式执行命令判断/tmp/test是否存在，存在即表示存活，不存在则表示容器已经挂了。

 

 

（9）资源需求和资源限制

在Docker的范畴内，我们知道可以对运行的容器进行请求或消耗的资源进行限制。而在Kubernetes中，也有同样的机制，容器或Pod可以进行申请和消耗的资源就是CPU和内存。CPU属于可压缩型资源，即资源的额度可以按照需求进行收缩。而内存属于不可压缩型资源，对内存的收缩可能会导致无法预知的问题。

 

资源的隔离目前是属于容器级别，CPU和内存资源的配置需要Pod中的容器spec字段下进行定义。其具体字段，可以使用"requests"进行定义请求的确保资源可用量。也就是说容器的运行可能用不到这样的资源量，但是必须确保有这么多的资源供给。而"limits"是用于限制资源可用的最大值，属于硬限制。

 

在Kubernetes中，1个单位的CPU相当于虚拟机的1颗虚拟CPU（vCPU）或者是物理机上一个超线程的CPU，它支持分数计量方式，一个核心（1core）相当于1000个微核心（millicores），因此500m相当于是0.5个核心，即二分之一个核心。内存的计量方式也是一样的，默认的单位是字节，也可以使用E、P、T、G、M和K作为单位后缀，或者是Ei、Pi、Ti、Gi、Mi、Ki等形式单位后缀。

 

资源需求举例：

 

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

  name: nginx-pod

spec:

  containers:

  - name: nginx

    image: nginx

    resources:

      requests:

        memory: "128Mi"

        cpu: "200m"

 

上面的配置清单中，nginx请求的CPU资源大小为200m，这意味着一个CPU核心足以满足nginx以最快的方式运行，其中对内存的期望可用大小为128Mi，实际运行时不一定会用到这么多的资源。考虑到内存的资源类型，在超出指定大小运行时存在会被OOM killer杀死的可能性，于是该请求值属于理想中使用的内存上限。

 

资源限制举例：

 

容器的资源需求只是能够确保容器运行时所需要的最少资源量，但是并不会限制其可用的资源上限。当应用程序存在Bug时，也有可能会导致系统资源被长期占用的情况，这就需要另外一个limits属性对容器进行定义资源使用的最大可用量。CPU是属于可压缩资源，可以进行自由地调节。而内存属于硬限制性资源，当进程申请分配超过limit属性定义的内存大小时，该Pod将会被OOM killer杀死。如下：

 

[root@k8s-master ~]# vim memleak-pod.yaml

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

  name: memleak-pod

  labels:

    app: memleak

spec:

  containers:

  - name: simmemleak

    image: saadali/simmemleak

    resources:

      requests:

        memory: "64Mi"

        cpu: "1"

      limits:

        memory: "64Mi"

        cpu: "1"

 

[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f memleak-pod.yaml

pod/memleak-pod created

[root@k8s-master ~]# kubectl get pods -l app=memleak

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

memleak-pod 0/1 OOMKilled 2 12s

[root@k8s-master ~]# kubectl get pods -l app=memleak

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

memleak-pod 0/1 CrashLoopBackOff 2 28s

 

Pod资源默认的重启策略为Always，在memleak因为内存限制而终止会立即重启，此时该Pod会被OOM killer杀死，在多次重复因为内存资源耗尽重启会触发Kunernetes系统的重启延迟，每次重启的时间会不断拉长，后面看到的Pod的状态通常为"CrashLoopBackOff"。

 

这里还需要明确的是，在一个Kubernetes集群上，运行的Pod众多，那么当节点都无法满足多个Pod对象的资源使用时，是按照什么样的顺序去终止这些Pod对象呢？？

 

Kubernetes是无法自行去判断的，需要借助于Pod对象的优先级进行判定终止Pod的优先问题。根据Pod对象的requests和limits属性，Kubernetes将Pod对象分为三个服务质量类别：

 

Guaranteed：每个容器都为CPU和内存资源设置了相同的requests和limits属性的Pod都会自动归属于该类别，属于最高优先级。

Burstable：至少有一个容器设置了CPU或内存资源的requests属性，单不满足Guaranteed类别要求的资源归于该类别，属于中等优先级。

BestEffort：未对任何容器设置requests属性和limits属性的Pod资源，自动归于该类别，属于最低级别。