Kubernetes 运行一个有状态的应用程序

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：
• Katacoda
• 玩转 Kubernetes

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

1. 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

2. 删除 StatefulSet。这也会开始终止 Pod。

   kubectl delete statefulset mysql
   

3. 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.
   

4. 删除 ConfigMap、Services 和 PersistentVolumeClaims。

   kubectl delete configmap,service,pvc -l app=mysql
   

5. 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。