10-编排思想：控制器模型

本章内容包括：
控制器
控制循环
控制循环的目的
控制器对象的组成

在上一篇文章中，我和你详细介绍了Pod的用法，讲解了Pod这个API对象的各个字段。而接下来，我们就一起来看看“编排”这个Kubernetes项目最核心的功能吧。

实际上，你可能已经有所感悟：Pod这个看似复杂的API对象，实际上就是对容器的进一步抽象和封装而已。

说得更形象些，“容器”镜像虽然好用，但是容器这样一个“沙盒”的概念，对于描述应用来说，还是太过简单了。这就好比，集装箱固然好用，但是如果它四面都光秃秃的，吊车还怎么把这个集装箱吊起来并摆放好呢？

所以，Pod对象，其实就是容器的升级版。它对容器进行了组合，添加了更多的属性和字段。这就好比给集装箱四面安装了吊环，使得Kubernetes这架“吊车”，可以更轻松地操作它。

现在，我们一起来回顾一下这个名叫nginx-deployment的例子：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

这个Deployment定义的编排动作非常简单，即：确保携带了app=nginx标签的Pod的个数，永远等于spec.replicas指定的个数，即2个。

这就意味着，如果在这个集群中，携带app=nginx标签的Pod的个数大于2的时候，就会有旧的Pod被删除；反之，就会有新的Pod被创建。

这时，你也许就会好奇：究竟是Kubernetes项目中的哪个组件，在执行这些操作呢？我在前面介绍Kubernetes架构的时候，曾经提到过一个叫作kube-controller-manager的组件。

实际上，这个组件，就是一系列控制器的集合。我们可以查看一下Kubernetes项目的pkg/controller目录：

$ cd kubernetes/pkg/controller/
$ ls -d */              
deployment/             job/                    podautoscaler/          
cloud/                  disruption/             namespace/              
replicaset/             serviceaccount/         volume/
cronjob/                garbagecollector/       nodelifecycle/          replication/            statefulset/            daemon/

这个目录下面的每一个控制器，都以独有的方式负责某种编排功能。而我们的Deployment，正是这些控制器中的一种。

实际上，这些控制器之所以被统一放在pkg/controller目录下，就是因为它们都遵循Kubernetes项目中的一个通用编排模式，即：控制循环（control loop）。

比如，现在有一种待编排的对象X，它有一个对应的控制器。那么，我就可以用一段Go语言风格的伪代码，为你描述这个控制循环：

for {
  实际状态 := 获取集群中对象X的实际状态（Actual State）
  期望状态 := 获取集群中对象X的期望状态（Desired State）
  if 实际状态 == 期望状态{
    什么都不做
  } else {
    执行编排动作，将实际状态调整为期望状态
  }
}

在具体实现中，实际状态往往来自于Kubernetes集群本身。

比如，kubelet通过心跳汇报的容器状态和节点状态，或者监控系统中保存的应用监控数据，或者控制器主动收集的它自己感兴趣的信息，这些都是常见的实际状态的来源。

而期望状态，一般来自于用户提交的YAML文件。

比如，Deployment对象中Replicas字段的值。很明显，这些信息往往都保存在Etcd中。

接下来，以Deployment为例，我和你简单描述一下它对控制器模型的实现：

Deployment控制器从Etcd中获取到所有携带了"app:nginx"标签的Pod，然后统计它们的数量，这就是实际状态；
Deployment对象的Replicas字段的值就是期望状态；
Deployment控制器将两个状态做比较，然后根据比较结果，确定是创建Pod，还是删除已有的Pod。

可以看到，一个Kubernetes对象的主要编排逻辑，实际上是在第三步的“对比”阶段完成的。

这个操作，通常被叫作调谐（Reconcile）。这个调谐的过程，则被称作“Reconcile Loop”（调谐循环）或者“Sync Loop”（同步循环）。这些词其实都是指的同一个东西：控制循环。

而调谐的最终结果，往往都是对被控制对象的某种写操作。

比如，增加Pod，删除已有的Pod，或者更新Pod的某个字段。这也是Kubernetes项目“面向API对象编程”的一个直观体现。

其实，像Deployment这种控制器的设计原理，就是我们前面提到过的，“用一种对象管理另一种对象”的“艺术”。

其中，这个控制器对象本身，负责定义被管理对象的期望状态。比如，Deployment里的replicas=2这个字段。

而被控制对象的定义，则来自于一个“模板”。比如，Deployment里的template字段。

可以看到，Deployment这个template字段里的内容，跟一个标准的Pod对象的API定义，丝毫不差。而所有被这个Deployment管理的Pod实例，其实都是根据这个template字段的内容创建出来的。

像Deployment定义的template字段，在Kubernetes项目中有一个专有的名字，叫作PodTemplate（Pod模板）。

这个概念非常重要，因为大多数控制器，都会使用PodTemplate来统一定义它所要管理的Pod。更有意思的是，我们还会看到其他类型的对象模板，比如Volume的模板。

至此，我们就可以对Deployment以及其他类似的控制器，做一个简单总结了：

上图所示，类似Deployment这样的一个控制器，实际上都是由上半部分的控制器定义（包括期望状态），加上下半部分的被控制对象的模板组成的。

这就是为什么，在所有API对象的Metadata里，都有一个字段叫作ownerReference，用于保存当前这个API对象的拥有者（Owner）的信息。

那么，对于我们这个nginx-deployment来说，它创建出来的Pod的ownerReference就是nginx-deployment吗？或者说，nginx-deployment所直接控制的，就是Pod对象么？

总结

今天这篇文章中，以Deployment为例，详细分享了Kubernetes项目如何通过一个称作“控制器模式”（controller pattern）的设计方法，来统一地实现对各种不同的对象或者资源进行的编排操作。

Kubernetes中有很多不同类型的容器编排功能，比如StatefulSet、DaemonSet等等，它们无一例外地都有这样一个甚至多个控制器的存在，并遵循控制循环（control loop）的流程，完成各自的编排逻辑。

实际上，跟Deployment相似，这些控制循环最后的执行结果，要么就是创建、更新一些Pod（或者其他的API对象、资源），要么就是删除一些已经存在的Pod（或者其他的API对象、资源）。

但也正是在这个统一的编排框架下，不同的控制器可以在具体执行过程中，设计不同的业务逻辑，从而达到不同的编排效果。

这个实现思路，正是Kubernetes项目进行容器编排的核心原理。

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最后更新于2个月前