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kubernetes crd 及kubebuilder学习

2020年08月10日

简介

Kubebuilder:让编写 CRD 变得更简单K8s 作为一个“容器编排”平台,其核心的功能是编排,Pod 作为 K8s 调度的最小单位,具备很多属性和字段,K8s 的编排正是通过一个个控制器根据被控制对象的属性和字段来实现。PS:再具体点就是 crud pod及其属性字段

对于用户来说,实现 CRD 扩展主要做两件事:

  1. 编写 CRD 并将其部署到 K8s 集群里;这一步的作用就是让 K8s 知道有这个资源及其结构属性,在用户提交该自定义资源的定义时(通常是 YAML 文件定义),K8s 能够成功校验该资源并创建出对应的 Go struct 进行持久化,同时触发控制器的调谐逻辑。
  2. 编写 Controller 并将其部署到 K8s 集群里。这一步的作用就是实现调谐逻辑。

kubebuilder

对于 CRD Controller 的构建,有几个主流的工具

  1. coreOS 开源的 Operator-SDK(https://github.com/operator-framework/operator-sdk )
  2. K8s 兴趣小组维护的 Kubebuilder(https://github.com/kubernetes-sigs/kubebuilder )

kubebuilder 是一个用来帮助用户快速实现 Kubernetes CRD Operator 的 SDK。当然,kubebuilder 也不是从0 生成所有controller 代码,k8s 提供给一个 Kubernetes controller-runtime Project a set of go libraries for building Controllers. controller-runtime 在Operator SDK中也有被用到。

整体设计

Kubebuilder 包含以下核心组件

  1. Manager
    1. 负责运行所有的 Controllers;
    2. 初始化共享 caches,包含 listAndWatch 功能;
    3. 初始化 clients 用于与 Api Server 通信。
  2. Cache, 负责在 Controller 进程里面根据 Scheme 同步 Api Server 中所有该 Controller 关心 所有资源对象,其核心是 相关Resource的 Informer,Informer 会负责监听对应 Resource的创建/删除/更新操作,以触发 Controller 的 Reconcile 逻辑。
  3. Clients, 在实现 Controller 的时候不可避免地需要对某些资源类型进行创建/删除/更新,就是通过该 Clients 实现的,其中查询功能实际查询是本地的 Cache,写操作直接访问 Api Server。
  4. Controller, Kubebuidler 为我们生成的脚手架文件,我们只需要实现 Reconcile 方法即可

当我们谈到 k8s 的控制器模型时,其伪代码如下

for {
    actualState := GetResourceActualState(rsvc)
    expectState := GetResourceExpectState(rsvc) // 来自yaml 文件
    if actualState == expectState {
        // do nothing
    } else {
        Reconcile(rsvc) // 编排逻辑,调谐的最终结果一般是对被控制对象的某种写操作,比如增/删/改 Pod
    }
}

而Kubebuilder 真的做到了 实现 控制器模型,只留下Reconcile 给业务开发 去扩展。 本篇讲的 就是kubebuilder 如何实现Reconcile 之外的部分。

目录结构

  1. GOPATH/src/app创建脚手架工程 kubebuilder init --domain example.io
     GOPATH/src/app
         /config                 // 跟k8s 集群交互所需的一些yaml配置
             /certmanager
             /default
             /manager
             /prometheus
             /rbac
             /webhook
         main.go                 // 创建并启动 Manager,容器的entrypoint
         Dockerfile              // 制作Controller 镜像
         go.mod                   
             module app
             go 1.13
             require (
                 k8s.io/apimachinery v0.17.2
                 k8s.io/client-go v0.17.2
                 sigs.k8s.io/controller-runtime v0.5.0
             )
    
  2. 创建 API kubebuilder create api --group apps --version v1alpha1 --kind Application
    GOPATH/src/app
        /api/v1alpha1
            /application_types.go      // 新增 Application/ApplicationSpec/ApplicationStatus struct; 将类型注册到 scheme 辅助接口 
            /zz_generated.deepcopy.go
        /config
            /crd                        // 新增Application CustomResourceDefinition
            /...
        /controllers
            /application_controller.go  // 定义 ApplicationReconciler ,核心逻辑就在这里实现
        main.go                         // ApplicationReconciler 添加到 Manager
        go.mod                          
    

Kubernetes 有类型系统,cr 要符合相关的规范(一部分由开发人员手动编写,另一些由代码生成器生成),包括

  1. struct 定义放在 项目 pkg/apis/$group/$version 包下
  2. struct 嵌入 TypeMeta struct ObjectMeta,定义spec 和 status

启动流程

启动逻辑比较简单:

  1. 初始化Manager;初始化流程主要是创建cache 与 Clients。
    1. 创建 Cache,可以看到 Cache 主要就是创建了 InformersMap,Scheme 里面的每个 GVK 都创建了对应的 Informer,通过 informersByGVK 这个 map 做 GVK 到 Informer 的映射,每个 Informer 会根据 ListWatch 函数对对应的 GVK 进行 List 和 Watch。
    2. 创建 Clients,读操作使用上面创建的 Cache,写操作使用 K8s go-client 直连。
  2. 将 Manager 的 Client 传给 Controller,并且调用 SetupWithManager 方法传入 Manager 进行 Controller 的初始化;
  3. 启动 Manager。
func main() {
	...
    // 1. init Manager
	mgr, err := ctrl.NewManager(ctrl.GetConfigOrDie(), ctrl.Options{
		Scheme:             scheme,
		MetricsBindAddress: metricsAddr,
		Port:               9443,
		LeaderElection:     enableLeaderElection,
		LeaderElectionID:   "1f6a832c.example.io",
	})
    // 2. init Reconciler(Controller)
	if err = (&controllers.ApplicationReconciler{
		Client: mgr.GetClient(),
		Log:    ctrl.Log.WithName("controllers").WithName("Application"),
		Scheme: mgr.GetScheme(),
	}).SetupWithManager(mgr); err != nil {...}
    // 3. start Manager
	if err := mgr.Start(ctrl.SetupSignalHandler()); err != nil {...}
}

Controller 初始化

type ApplicationReconciler struct {
	client.Client
	Log    logr.Logger
	Scheme *runtime.Scheme
}
func (r *ApplicationReconciler) Reconcile(req ctrl.Request) (ctrl.Result, error) {
	_ = context.Background()
	_ = r.Log.WithValues("application", req.NamespacedName)
	// your logic here  需要扩充的业务逻辑
	return ctrl.Result{}, nil
}
func (r *ApplicationReconciler) SetupWithManager(mgr ctrl.Manager) error {
	return ctrl.NewControllerManagedBy(mgr).
		For(&appsv1alpha1.Application{}).
		Complete(r)
}
type Controller struct {
	// Name is used to uniquely identify a Controller in tracing, logging and monitoring.  Name is required.
	Name string
	Do reconcile.Reconciler
	// Client is a lazily initialized Client.  
	Client client.Client
	Scheme *runtime.Scheme
	Cache cache.Cache
	// Config is the rest.Config used to talk to the apiserver.  
	Config *rest.Config
	// Queue is an listeningQueue that listens for events from Informers and adds object keys to
	// the Queue for processing
	Queue workqueue.RateLimitingInterface
    ...
}

ctrl.NewControllerManagedBy = builder.ControllerManagedBy 返回一个 Builder struct,即使用 Builder 模式构建Controller

func (blder *Builder) Build(r reconcile.Reconciler) (controller.Controller, error) {
	// Set the Config
	blder.loadRestConfig()
	// Set the ControllerManagedBy   
	if err := blder.doController(r); err != nil {...}
	// Set the Watch
	if err := blder.doWatch(); err != nil {...}
	return blder.ctrl, nil
}
// Builder.doController ==> newController == controller.New 创建一个Controller struct 并将其 加入到 Manager 中
func (blder *Builder) doController(r reconcile.Reconciler) error {
	name, err := blder.getControllerName()
	ctrlOptions := blder.ctrlOptions
	ctrlOptions.Reconciler = r
	blder.ctrl, err = newController(name, blder.mgr, ctrlOptions)
	return err
}
// 对Reconciler client 和 cache 进行了初始化
func New(name string, mgr manager.Manager, options Options) (Controller, error) {
	...
	// Inject dependencies into Reconciler
	if err := mgr.SetFields(options.Reconciler); err != nil {...}
	// Create controller with dependencies set
	c := &controller.Controller{
		Do:       options.Reconciler,
		Cache:    mgr.GetCache(),
		Config:   mgr.GetConfig(),
		Scheme:   mgr.GetScheme(),
		Client:   mgr.GetClient(),
        Name:                    name,
        ...
	}
	// Add the controller as a Manager components
	return c, mgr.Add(c)
}

Informer 触发eventHandler ==> 变更resource 加入队列:通过 Cache 我们创建了所有 Scheme 里面 GVKs 的 Informers,然后对应 GVK 的 Controller 注册了 Watch Handler 到对应的 Informer,这样一来对应的 GVK 里面的资源有变更都会触发 Handler,将变更事件写到 Controller 的事件队列中

func (blder *Builder) doWatch() error {
	// watch 本 Controller 负责的 CRD 
	src := &source.Kind{Type: blder.apiType}
	hdler := &handler.EnqueueRequestForObject{} //  Handler 就是将发生变更的对象的 NamespacedName 加入队列,实际注册到 Informer 上面
	err := blder.ctrl.Watch(src, hdler, blder.predicates...)
	// watch 本 CRD 管理的其他资源/managedObjects
	for _, obj := range blder.managedObjects {
		src := &source.Kind{Type: obj}
		hdler := &handler.EnqueueRequestForOwner{
			OwnerType:    blder.apiType,
			IsController: true,
		}
		if err := blder.ctrl.Watch(src, hdler, blder.predicates...); err != nil {...}
	}
	// Do the watch requests
	for _, w := range blder.watchRequest {
		if err := blder.ctrl.Watch(w.src, w.eventhandler, blder.predicates...); err != nil {...}
	}
	return nil
}
func (c *Controller) Watch(src source.Source, evthdler handler.EventHandler, prct ...predicate.Predicate) error {
	// Inject Cache into arguments   即给Source 成员赋值
	if err := c.SetFields(src); err != nil {...}
	if err := c.SetFields(evthdler); err != nil {...}
	for _, pr := range prct {
		if err := c.SetFields(pr); err != nil {...}
	}
	c.watches = append(c.watches, watchDescription{src: src, handler: evthdler, predicates: prct})
	if c.Started {
		log.Info("Starting EventSource", "controller", c.Name, "source", src)
		return src.Start(evthdler, c.Queue, prct...)
	}
	return nil
}

Controller.setFields = controllerManager.SetFields 有点依赖注入的意思,controllerManager 类似ioc 容器, 持有了Config/Client/APIReader/Scheme/Cache/Injector/StopChannel/Mapper 实例,对于传入的interface(对于上例是Source),如果有这些类型的field的话,就给interface 的field 赋值。

func (cm *controllerManager) SetFields(i interface{}) error {
	if _, err := inject.ConfigInto(cm.config, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.ClientInto(cm.client, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.APIReaderInto(cm.apiReader, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.SchemeInto(cm.scheme, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.CacheInto(cm.cache, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.InjectorInto(cm.SetFields, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.StopChannelInto(cm.internalStop, i); err != nil {return err}
	if _, err := inject.MapperInto(cm.mapper, i); err != nil {return err}
	return nil
}

Manager 启动

func (cm *controllerManager) Start(stop <-chan struct{}) error {
    // 启动metric 组件供Prometheus 拉取数据
    go cm.serveMetrics(cm.internalStop)
    // 启动健康检查探针
	go cm.serveHealthProbes(cm.internalStop)
	go cm.startNonLeaderElectionRunnables()
	if cm.resourceLock != nil {
		if err := cm.startLeaderElection(); err != nil{...}
	} else {
		go cm.startLeaderElectionRunnables()
	}
    ...
}
type controllerManager struct {
    ...
	// leaderElectionRunnables is the set of Controllers that the controllerManager injects deps into and Starts.
	// These Runnables are managed by lead election.
	leaderElectionRunnables []Runnable
}
// 启动cache/informer 及 Controller
func (cm *controllerManager) startLeaderElectionRunnables() {
    // 核心是启动Informer, waitForCache ==> cm.startCache = cm.cache.Start ==> InformersMap.Start ==> 
    // InformersMap.structured/unstructured.Start ==> Informer.Run
	cm.waitForCache()
	for _, c := range cm.leaderElectionRunnables {
		ctrl := c
		go func() {
            // 启动Controller
			if err := ctrl.Start(cm.internalStop); err != nil {...}
		}()
	}
}

controller 是变更事件的消费者:Controller 的初始化是启动 goroutine 不断地查询队列,如果有变更消息则触发到我们自定义的 Reconcile 逻辑。

func (c *Controller) Start(stop <-chan struct{}) error {
	err := func() error {
        ...
		// Launch workers to process resources
		for i := 0; i < c.MaxConcurrentReconciles; i++ {
			// Process work items
			go wait.Until(c.worker, c.JitterPeriod, stop)
		}
		return nil
	}()
	return nil
}
func (c *Controller) worker() {
	for c.processNextWorkItem() {
	}
}
// 从队列中取出 变更的对象(也就是需要处理的对象),包括队列操作相关的线速、重试等,并触发Reconcile 逻辑
func (c *Controller) processNextWorkItem() bool {
	obj, shutdown := c.Queue.Get()
	if shutdown {
		return false// Stop working
	}
	defer c.Queue.Done(obj)
	return c.reconcileHandler(obj)
}
func (c *Controller) reconcileHandler(obj interface{}) bool {
	if req, ok = obj.(reconcile.Request); !ok {...}
	// RunInformersAndControllers the syncHandler, passing it the namespace/Name string of the resource to be synced.
	if result, err := c.Do.Reconcile(req); err != nil {
		c.Queue.AddRateLimited(req)
		return false
	} else if result.RequeueAfter > 0 {
		c.Queue.Forget(obj)
		c.Queue.AddAfter(req, result.RequeueAfter)
		return true
	} else if result.Requeue {
		c.Queue.AddRateLimited(req)
		return true
	}
	c.Queue.Forget(obj)
	return true
}

kubectl 感知 crd

《programming Kubernetes》 假设存在 一个CR

apiVersion: cnat.programming-kubernetes.info/v1alpha1
kind: At
metadata:
  name: example-at
spec:
  schedule: ...
status:
  phase: "pending"

整个感知过程由 RESTMapper实现,kubectl 在~/.kubectl 中缓存了资源类型,由此它不必每次访问重新检索感知信息,缓存每隔10分钟失效。

  1. 最初,kubectl 并不知道 ats 是什么?
  2. kubectl 使用/apis 感知endpoint 的方式,向api server 查询所有的api groups
     $ http://localhost:8080/apis
     {
         "groups":[
             {
                 "name":"at.cnat.programming-kubernetes.info/v1alpha1",
                 "versions":[{
                     "groupVersion":"cnat.programming-kubernetes.info/v1alpha1",
                     "version":"v1alpha1"
                 }]
             },
             ...
         ]
     }
    
  3. 接着,kubectl 使用/apis/$groupVersion 感知endpoint 的方式,向apiserver 查询所有API groups 中的资源
     $ http://localhost:8080/apis/cnat.programming-kubernetes.info/v1alpha1
     {
         "apiVersion":"v1",
         "groupVersion":"cnat.programming-kubernetes.info/v1alpha1",
         "kind": "APIResourceList",
         "resource":[{
             "kind": "At",
             "name": "ats",
             "namespaced": true,
             "verbs":["create","delete","get","list","update","watch",...]
         },...]
    
     }
    
  4. 然后kubectl 将 给定的类型ats 转换为一下3 种类型:Group(cnat.programming-kubernetes.info) Version (v1alpha1) Resource (ats)