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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。
Before you begin
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:
To check the version, enterkubectl 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。
- 您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。
Objectives
- 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
Cleaning up
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。
What's next
- 进一步了解为 StatefulSet 扩缩容.
- 进一步了解调试 StatefulSet.
- 进一步了解删除 StatefulSet.
- 进一步了解强制删除 StatefulSet Pods.
- 在 Helm Charts 仓库中查找其他有状态的应用程序示例。