详解kubernetes状态同步机制核心

在K8s中将Pod调度到某一台Node节点之后，后续的状态维护信息则是由对应机器上的kubelet进行维护，如何实时反馈本地运行状态，并通知apiserver则是设计的难点， 本节主要是通过感知Pod状态变化和探测状态改变两个流程来实际分析其核心数据结构。

静态Pod

静态Pod主要是指的那些不是通过感知apiserver创建的pod, 因为apiserver上并不包含，但是同时也需要维护和获取这类Pod的状态， k8s中就设计了一个镜像Pod的概念，其实就是为静态Pod镜像出来一个Pod该Pod的主要信息与静态Pod一致，并且在apiserver中进行创建，通过apiserver可以感知的这个镜像Pod来反映真实的静态Pod的状态,

状态数据源

statusManager是进行状态同步的关键组件其需要综合当前Pod运行中的数据和apiserver存储的数据，从而决定最终的状态转换, 这里先关注图上画出来的，更多的状态等后续会一一介绍

版本一致性

type versionedPodStatus struct {
status v1.PodStatus
// 单调递增的版本号（每个pod）
version uint64
// Pod name & namespace, for sending updates to API server.
podName      string
podNamespace string
}

在Kubelet中为保证与apiserver端信息的同步，在本地保存了一个Pod状态版本信息，其里面除了保存当前Pod的状态数据还有一个版本版本号，通过单调递增的版本号的对比来确定是否进行状态的同步

核心源码实现

statusManager的流程其实还是蛮复杂的，今天我们就只讲一个场景，即kubelet通过apiserver感知到一个Pod更新，然后顺着该功能的数据流来进行梳理statusMangaer里面的数据流转

核心数据结构

manager中的核心状态相关的数据结构可以主要分为两大类：映射数据维护(podManager、podStatuses、apiStatusVersions)数据通信管道(podStatusChannel)， 剩余的则是对与apiserver通信的kublet和进行pod删除检查的 podDeletionSafety

type manager struct {
kubeClient clientset.Interface
       // 管理缓存Pod，包含镜像pod和静态pod的映射
podManager kubepod.Manager
// 从pod UID映射到相应pod的版本状态信息 。
podStatuses      map[types.UID]versionedPodStatus
podStatusesLock  sync.RWMutex
podStatusChannel chan podStatusSyncRequest
// 存储镜像pod的版本
apiStatusVersions map[kubetypes.MirrorPodUID]uint64
podDeletionSafety PodDeletionSafetyProvider
}

设置Pod状态

设置Pod状态主要是位于kubelet中的syncPod中，在接收到pod事件变更之后，会与apiserver进行 Pod最新数据的同步从而获取当前pod在apiserver端的最新状态

func (m *manager) SetPodStatus(pod *v1.Pod, status v1.PodStatus) {
m.podStatusesLock.Lock()
defer m.podStatusesLock.Unlock()

for _, c := range pod.Status.Conditions {
 if !kubetypes.PodConditionByKubelet(c.Type) {
  klog.Errorf("Kubelet is trying to update pod condition %q for pod %q. "+
   "But it is not owned by kubelet.", string(c.Type), format.Pod(pod))
 }
}
// Make sure we're caching a deep copy.
status = *status.DeepCopy()

// 如果Pod被删除了则需要强制与apiserver进行信息的同步
m.updateStatusInternal(pod, status, pod.DeletionTimestamp != nil)
}

更新内部缓存状态产生同步事件

获取缓存状态

var oldStatus v1.PodStatus
// 检测之前的本地缓存数据
cachedStatus, isCached := m.podStatuses[pod.UID]
if isCached {
 oldStatus = cachedStatus.status
} else if mirrorPod, ok := m.podManager.GetMirrorPodByPod(pod); ok {
 oldStatus = mirrorPod.Status
} else {
 oldStatus = pod.Status
}

检测容器状态

检测容器状态主要是针对容器终止状态转发的合法性进行检测，其实就是根据设定的Pod的RestartPolicy来检测针对一个终止的容器是否可以进行重启

if err := checkContainerStateTransition(oldStatus.ContainerStatuses, status.ContainerStatuses, pod.Spec.RestartPolicy); err != nil {
 klog.Errorf("Status update on pod %v/%v aborted: %v", pod.Namespace, pod.Name, err)
 return false
}
if err := checkContainerStateTransition(oldStatus.InitContainerStatuses, status.InitContainerStatuses, pod.Spec.RestartPolicy); err != nil {
 klog.Errorf("Status update on pod %v/%v aborted: %v", pod.Namespace, pod.Name, err)
 return false
}

更新PodCondition最后转换时间

通过最新的status里面的condition设定对应PodCondition的LastTransitionTime更新时间未当前时间

// Set ContainersReadyCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.ContainersReady)

// Set ReadyCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.PodReady)

// Set InitializedCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.PodInitialized)

// Set PodScheduledCondition.LastTransitionTime.
updateLastTransitionTime(&status, &oldStatus, v1.PodScheduled)

校对时间截断过长信息

首先会根据当前容器的个数，从而决定每个容器最大的字节数大小，然后对容器里面的终止状态里面的Message信息，进行截断，同时进行时间的校对

 normalizeStatus(pod, &status)

状态更新条件检测

如果之前已经缓存了对应的数据，并且缓存的数据与当前的状态未发生改变，也不需要强制更新，就直接返回

if isCached && isPodStatusByKubeletEqual(&cachedStatus.status, &status) && !forceUpdate {
 // 如果不强制更新 ，默认是true此处不会成立
 klog.V(3).Infof("Ignoring same status for pod %q, status: %+v", format.Pod(pod), status)
 return false // No new status.
}

生成同步事件更新缓存

生成最新的状态缓存数据，并且递增本地的版本信息

// 构建新的状态
newStatus := versionedPodStatus{
 status:       status,
 version:      cachedStatus.version + 1, // 更新器缓存
 podName:      pod.Name,
 podNamespace: pod.Namespace,
}
// 更新新的缓存状态
m.podStatuses[pod.UID] = newStatus

select {
case m.podStatusChannel "Status Manager: adding pod: %q, with status: (%d, %v) to podStatusChannel",
  pod.UID, newStatus.version, newStatus.status)
 
 return true
default:
 // Let the periodic syncBatch handle the update if the channel is full.
 // We can't block, since we hold the mutex lock.
 klog.V(4).Infof("Skipping the status update for pod %q for now because the channel is full; status: %+v",
  format.Pod(pod), status)
 return false
}

探测状态更新

探测状态其实就是Pod内容器的运行状态，比如如果设置了Readiness探测，当某个容器探测失败的时候，就会通知对应的service从后端的enpoint中移除该Pod, 让我们一起看看Kubelet是如何将运行状态通知到apiserver端的

获取当前状态

func (m *manager) SetContainerReadiness(podUID types.UID, containerID kubecontainer.ContainerID, ready bool) {
m.podStatusesLock.Lock()
defer m.podStatusesLock.Unlock()

// 获取本地的容器
pod, ok := m.podManager.GetPodByUID(podUID)
if !ok {
 klog.V(4).Infof("Pod %q has been deleted, no need to update readiness", string(podUID))
 return
}

// 获取当前的状态
oldStatus, found := m.podStatuses[pod.UID]
if !found {
 klog.Warningf("Container readiness changed before pod has synced: %q - %q",
  format.Pod(pod), containerID.String())
 return
}

// 获取当前的容器状态
containerStatus, _, ok := findContainerStatus(&oldStatus.status, containerID.String())
if !ok {
 klog.Warningf("Container readiness changed for unknown container: %q - %q",
  format.Pod(pod), containerID.String())
 return
}

检测状态是否发生改变

// 检测前后的就绪状态是否发生改变
if containerStatus.Ready == ready {
 klog.V(4).Infof("Container readiness unchanged (%v): %q - %q", ready,
  format.Pod(pod), containerID.String())
 return
}

修改容器的就绪状态

获取容器的状态，修改就绪为当前的状态

status := *oldStatus.status.DeepCopy()
containerStatus, _, _ = findContainerStatus(&status, containerID.String())
containerStatus.Ready = ready

根据最新的容器状态修改

会根据当前运行时的容器探测的状态，来修改对应PodCondition里面的状态，最后调用内部的更新逻辑

updateConditionFunc := func(conditionType v1.PodConditionType, condition v1.PodCondition) {
 conditionIndex := -1
 // 获取Pod对应的PodCondition状态
 for i, condition := range status.Conditions {
  if condition.Type == conditionType {
   conditionIndex = i
   break
  }
 }
       // 修改或追加Pod对应的PodCondition状态
 if conditionIndex != -1 {
  status.Conditions[conditionIndex] = condition
 } else {
  klog.Warningf("PodStatus missing %s type condition: %+v", conditionType, status)
  status.Conditions = append(status.Conditions, condition)
 }
}
// 计算Ready状态
updateConditionFunc(v1.PodReady, GeneratePodReadyCondition(&pod.Spec, status.Conditions, status.ContainerStatuses, status.Phase))
// 计算容器Ready状态
updateConditionFunc(v1.ContainersReady, GenerateContainersReadyCondition(&pod.Spec, status.ContainerStatuses, status.Phase))
m.updateStatusInternal(pod, status, false)

启动后台同步任务

statusManager会启动一个后台的线程来进行更新管道里面同步请求的消费

func (m *manager) Start() {
// 省略非核心代码
go wait.Forever(func() {
 select {
 case syncRequest := "Status Manager: syncing pod: %q, with status: (%d, %v) from podStatusChannel",
   syncRequest.podUID, syncRequest.status.version, syncRequest.status.status)
  m.syncPod(syncRequest.podUID, syncRequest.status)
 case 

同步Pod状态

同步条件检测

同步条件检测主要是检测镜像Pod的版本是否发送变化、Pod当前是否被删除，如果pod没有被删除则返回false,即对一个没有删除的Pod我们还是需要继续更新其状态的

if !m.needsUpdate(uid, status) {
 klog.V(1).Infof("Status for pod %q is up-to-date; skipping", uid)
 return
}

通过apiserver获取最新Pod数据

如果没有获取到Pod信息，则直接进行退出即可

pod, err := m.kubeClient.CoreV1().Pods(status.podNamespace).Get(status.podName, metav1.GetOptions{})
if errors.IsNotFound(err) {
 klog.V(3).Infof("Pod %q does not exist on the server", format.PodDesc(status.podName, status.podNamespace, uid))
 // 如果Pod已经被删除了，就直接退出就行
 return
}
if err != nil {
 klog.Warningf("Failed to get status for pod %q: %v", format.PodDesc(status.podName, status.podNamespace, uid), err)
 return
}

调用Patch接口进行更新

这里面会通过将最小的状态与之前的状态来进行merge合并，然后调用kubeClient进行apiserver端状态的修改

oldStatus := pod.Status.DeepCopy()
// 更新服务端的状态
newPod, patchBytes, err := statusutil.PatchPodStatus(m.kubeClient, pod.Namespace, pod.Name, pod.UID, *oldStatus, mergePodStatus(*oldStatus, status.status))
klog.V(3).Infof("Patch status for pod %q with %q", format.Pod(pod), patchBytes)
if err != nil {
 klog.Warningf("Failed to update status for pod %q: %v", format.Pod(pod), err)
 return
}

更新本地的Apiserver端的版本信息

// 当前是最新的状态
pod = newPod

klog.V(3).Infof("Status for pod %q updated successfully: (%d, %+v)", format.Pod(pod), status.version, status.status)
m.apiStatusVersions[kubetypes.MirrorPodUID(pod.UID)] = status.version

检测删除Pod

这里主要是最后阶段，即Pod对应的资源都已经释放了，则才最终删除apiserver端的Pod

// 如果pod的DeletionTimestamp被设置，则对应的Pod需要被删除
if m.canBeDeleted(pod, status.status) {
 deleteOptions := metav1.NewDeleteOptions(0)
 
 deleteOptions.Preconditions = metav1.NewUIDPreconditions(string(pod.UID))
 //  调用apiserver对Pod进行删除
 err = m.kubeClient.CoreV1().Pods(pod.Namespace).Delete(pod.Name, deleteOptions)
 if err != nil {
  klog.Warningf("Failed to delete status for pod %q: %v", format.Pod(pod), err)
  return
 }
 klog.V(3).Infof("Pod %q fully terminated and removed from etcd", format.Pod(pod))
 m.deletePodStatus(uid)
}

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