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kubernetes之pod状态和生命周期管理

一、什么是Pod？

Pod是kubernetes中你可以创建和部署的最小的单位。一个Pod代表着集群中运行的一个进程。

在Kubrenetes集群中Pod有如下两种使用方式：

一个Pod中运行一个容器，在这种使用方式中，你可以把Pod想象成是单个容器的封装，kuberentes管理的是Pod而不是直接管理容器。
在一个Pod中同时运行多个容器。一个Pod中也可以同时封装几个需要紧密耦合互相协作的容器，它们之间共享网络和存储资源。Pod将这些容器的资源作为一个实体来统一管理。

注意在一个Pod中同时运行多个容器是一种比较高级的用法。只有当你的容器需要紧密配合协作的时候才考虑用这种模式。例如，你有一个容器作为web服务器运行，需要用到共享的volume，有另一个 "sidecar" 容器来从远端获取资源更新这些文件，如下图所示：

Pod中共享的环境包括Linux的namespace和其他可能的隔绝环境，这一点跟Docker容器一致。在Pod的环境中，每个容器中可能还有更小的子隔离环境。

Pod中可以共享两种资源：网络和存储。

网络：

　　每个Pod都会被分配一个唯一的IP地址。Pod中的所有容器共享网络空间，包括IP地址和端口。Pod内部的容器可以使用localhost互相通信。需要明白的是同一个Pod下的容器是通过lo网卡进行通信。Pod中的容器与外界通信时，必须分配共享网络资源（例如使用宿主机的端口映射）。

存储：

　　可以为Pod指定多个共享的Volume。Pod中的所有容器都可以访问共享的volume。Volume也可以用来持久化Pod中的存储资源，以防容器重启后文件丢失。

就像每个应用容器，pod被认为是临时实体。在pod的生命周期中，pod被创建后，被分配一个唯一的ID（UID），调度到节点上，并一致维持期望的状态直到被终结（根据重启策略）或者被删除。如果node死掉了，分配到了这个node上的pod，在经过一个超时时间后会被重新调度到其他node节点上。一个给定的pod（如UID定义的）不会被 "重新调度" 到新的节点上，而是被一个同样的pod取代，如果期望的话甚至可以是相同的名字，但是会有一个新的UID（查看replication controller获取详情）。

二、使用Pod

通常把Pod分为两类：

自主式Pod：这种Pod本身是不能自我修复的，当Pod被创建后然后被调度到集群的Node上。直到Pod的进程终止、被删掉、因为缺少资源而被驱逐、或者Node故障之前这个Pod都会一直保持在那个Node上。Pod不会自愈。如果Pod运行的Node故障，或者是调度器本身故障，这个Pod就会被删除。同样的，如果Pod所在Node缺少资源或者Pod处于维护状态，Pod也会被驱逐。
控制器管理的Pod：Kubernetes使用更高级的称为Controller的抽象层，来管理Pod实例。Controller可以创建和管理多个Pod，提供副本管理、滚动升级和集群级别的自愈能力。例如，如果一个Node故障，Controller就能自动将该节点上的Pod调度到其他健康的Node上。虽然可以直接使用Pod，但是在Kubernetes中通常是使用Controller来管理Pod的。

每个Pod都有一个特殊的被称为“根容器”的Pause 容器。 Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或者多个紧密相关的用户业务容器。

Kubernetes设计这样的Pod概念和特殊组成结构有什么用意？？？？？

原因一：在一组容器作为一个单元的情况下，难以对整体的容器简单地进行判断及有效地进行行动。比如，一个容器死亡了，此时是算整体挂了么？那么引入与业务无关的Pause容器作为Pod的根容器，以它的状态代表着整个容器组的状态，这样就可以解决该问题。
原因二：Pod里的多个业务容器共享Pause容器的IP，共享Pause容器挂载的Volume，这样简化了业务容器之间的通信问题，也解决了容器之间的文件共享问题。

三、Pod的持久性和终止

1、Pod的持久性

Pod在设计时就不是作为持久化实体的。在调度失败、节点故障、缺少资源或者节点维护的状态下都会死掉会被驱逐。

通常，用户不需要手动直接创建Pod，而是应该使用controller（例如Deployments），即使是在创建单个Pod的情况下。Controller可以提供集群级别的自愈功能、复制和升级管理。

2、Pod的终止

因为Pod作为在集群的节点上运行的进程，所以在不再需要的时候能够优雅的终止掉是十分必要的（比起使用发送KILL信号这种暴力的方式）。用户需要能够发送删除请求，并且知道它们何时会被终止，是否被正确的删除。用户想终止程序时发送删除pod的请求，在pod可以被强制删除前会有一个宽限期，会发送一个TERM请求到每个容器的主进程。一旦超时，将向主进程发送KILL信号并从API server中删除。如果kubelet或者container manager在等待进程终止的过程中重启，在重启后仍然会重试完整的宽限期。

示例流程如下：

用户发送删除pod的命令，默认宽限期是30秒；
在Pod超过该宽限期后API server就会更新Pod的状态为“dead”；
在客户端命令行上显示的Pod状态为“terminating”；
跟第三步同时，当kubelet发现pod被标记为“terminating”状态时，开始停止pod进程：
跟第三步同时，该Pod将从该service的端点列表中删除，不再是replication controller的一部分。
过了宽限期后，将向Pod中依然运行的进程发送SIGKILL信号而杀掉进程。
Kubelet会在API server中完成Pod的的删除，通过将优雅周期设置为0（立即删除）。Pod在API中消失，并且在客户端也不可见。

删除宽限期默认是30秒。 kubectl delete 命令支持 —grace-period= 选项，允许用户设置自己的宽限期。如果设置为 0 将强制删除pod。在kubectl >= 1.5版本的命令中，你必须同时使用 --force 和 --grace-period=0 来强制删除pod。

Pod的强制删除是通过在集群和etcd中将其定义为删除状态。当执行强制删除命令时，API server不会等待该pod所运行在节点上的kubelet确认，就会立即将该pod从API server中移除，这时就可以创建跟原pod同名的pod了。这时，在节点上的pod会被立即设置为terminating状态，不过在被强制删除之前依然有一小段优雅删除周期。

四、Pause容器

Pause容器，又叫Infra容器。我们检查node节点的时候会发现每个node上都运行了很多的pause容器，例如如下：

root@k8s-node01 ~]# docker ps |grep pause
0cbf85d4af9e    k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"     7 days ago  Up 7 days   k8s_POD_myapp-848b5b879b-ksgnv_default_0af41a40-a771-11e8-84d2-000c2972dc1f_0
d6e4d77960a7    k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"     7 days ago  Up 7 days   k8s_POD_myapp-848b5b879b-5f69p_default_09bc0ba1-a771-11e8-84d2-000c2972dc1f_0
5f7777c55d2a    k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"     7 days ago  Up 7 days   k8s_POD_kube-flannel-ds-pgpr7_kube-system_23dc27e3-a5af-11e8-84d2-000c2972dc1f_1
8e56ef2564c2    k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"     7 days ago  Up 7 days   k8s_POD_client2_default_17dad486-a769-11e8-84d2-000c2972dc1f_1
7815c0d69e99    k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"     7 days ago  Up 7 days   k8s_POD_nginx-deploy-5b595999-872c7_default_7e9df9f3-a6b6-11e8-84d2-000c2972dc1f_2
b4e806fa7083    k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"     7 days ago  Up 7 days   k8s_POD_kube-proxy-vxckf_kube-system_23dc0141-a5af-11e8-84d2-000c2972dc1f_2

kubernetes中的pause容器主要为每个业务容器提供以下功能：

在pod中担任Linux命名空间共享的基础；
启用pid命名空间，开启init进程。

如图：

[root@node01 ~]# docker run -d --name pause -p 8880:80 k8s.gcr.io/pause:3.1
d3057ceb54bc6565d28ded2c33ad2042010be73d76117775c130984c3718d609
[root@node01 ~]# cat << EOF >> nginx.conf
> error_log stderr;
> events { worker_connections  1024; }
> http {
>     access_log /dev/stdout combined;
>     server {
>         listen 80 default_server;
>         server_name example.com www.example.com;
>         location / {
>             proxy_pass http://127.0.0.1:2368;
>         }
>     }
> }
> EOF
[root@node01 ~]# docker run -d --name nginx -v `pwd`/nginx.conf:/etc/nginx/nginx.conf --net=container:pause --ipc=container:pause --pid=container:pause nginx
d04f848b7386109085ee350ebb81103e4efc7df8e48da18404efb9712f926082
[root@node01 ~]# docker run -d --name ghost --net=container:pause --ipc=container:pause --pid=container:pause ghost
332c86a722f71680b76b3072e85228a8d8e9608456c653edd214f06c2a77f112

现在访问http://192.168.56.12:8880/就可以看到 ghost 博客的界面了。

解析

pause容器将内部的80端口映射到宿主机的8880端口，pause容器在宿主机上设置好了网络namespace后，nginx容器加入到该网络namespace中，我们看到nginx容器启动的时候指定了 --net=container:pause，ghost容器同样加入到了该网络namespace中，这样三个容器就共享了网络，互相之间就可以使用 localhost 直接通信，--ipc=contianer:pause --pid=container:pause 就是三个容器处于同一个 namespace 中，init 进程为 pause，这时我们进入到ghost容器中查看进程情况。

[root@node01 ~]# docker exec -it ghost /bin/bash
root@d3057ceb54bc:/var/lib/ghost# ps axu 
USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root          1  0.0  0.0   1012     4 ?        Ss   03:48   0:00 /pause
root          6  0.0  0.0  32472   780 ?        Ss   03:53   0:00 nginx: master process nginx -g daemon off;
systemd+     11  0.0  0.1  32932  1700 ?        S    03:53   0:00 nginx: worker process
node         12  0.4  7.5 1259816 74868 ?       Ssl  04:00   0:07 node current/index.js
root         77  0.6  0.1  20240  1896 pts/0    Ss   04:29   0:00 /bin/bash
root         82  0.0  0.1  17496  1156 pts/0    R+   04:29   0:00 ps axu

五、init容器

Pod 能够具有多个容器，应用运行在容器里面，但是它也可能有一个或多个先于应用容器启动的 Init 容器。

Init 容器与普通的容器非常像，除了如下两点：

Init 容器总是运行到成功完成为止。
每个 Init 容器都必须在下一个 Init 容器启动之前成功完成。

如果 Pod 的 Init 容器失败，Kubernetes 会不断地重启该 Pod，直到 Init 容器成功为止。然而，如果 Pod 对应的 restartPolicy 为 Never，它不会重新启动。

六、Pod的生命周期

1、Pod phase

Pod 的 status 信息在 PodStatus 中定义，其中有一个 phase 字段。

Pod 的相位（phase）是 Pod 在其生命周期中的简单宏观概述。

Pod 相位的数量和含义是严格指定的。除了本文档中列举的状态外，不应该再假定 Pod 有其他的 phase值。

下面是 phase 可能的值：

挂起（Pending）：API Server创建了Pod资源对象并已经存入了etcd中，但是它并未被调度完成，或者仍然处于从仓库下载镜像的过程中。
运行中（Running）：Pod已经被调度到某节点之上，并且所有容器都已经被kubelet创建完成。
成功（Succeeded）：Pod 中的所有容器都被成功终止，并且不会再重启。
失败（Failed）：Pod 中的所有容器都已终止了，并且至少有一个容器是因为失败终止。也就是说，容器以非0状态退出或者被系统终止。
未知（Unknown）：因为某些原因无法取得 Pod 的状态，通常是因为与 Pod 所在主机通信失败。

下图是Pod的生命周期示意图，从图中可以看到Pod状态的变化。

2、Pod的创建过程

Pod是Kubernetes的基础单元，了解其创建的过程，更有助于理解系统的运作。

① 用户通过 kubectl 或其他 API 客户端提交 Pod Spec 给 API Server。

② API Server 尝试将 Pod 对象的相关信息存储到 etcd 中，等待写入操作完成，API Server 返回确认信息到客户端。

③ API Server 开始反映 etcd 中的状态变化。

④ 所有的 Kubernetes 组件通过 "watch" 机制跟踪检查 API Server 上的相关信息变动。

⑤ kube-scheduler（调度器）通过其 "watcher" 检测到 API Server 创建了新的 Pod 对象但是没有绑定到任何工作节点。

⑥ kube-scheduler 为 Pod 对象挑选一个工作节点并将结果信息更新到 API Server。

⑦ 调度结果新消息由 API Server 更新到 etcd，并且 API Server 也开始反馈该 Pod 对象的调度结果。

⑧ Pod 被调度到目标工作节点上的 kubelet 尝试在当前节点上调用 docker engine 进行启动容器，并将容器的状态结果返回到 API Server。

⑨ API Server 将 Pod 信息存储到 etcd 系统中。

⑩ 在 etcd 确认写入操作完成，API Serve 将确认信息发送到相关的 kubelet。

3、Pod的状态

Pod 有一个 PodStatus 对象，其中包含一个 PodCondition 数组。 PodCondition 数组的每个元素都有一个 type 字段和一个 status 字段。type 字段是字符串，可能的值有 PodScheduled、Ready、Initialized 和 Unschedulable。status 字段是一个字符串，可能的值有 True、False 和 Unknown。

4、Pod存活性探测

在pod生命周期中可以做的一些事情。主容器启动前可以完成初始化容器，初始化容器可以有多个，他们是串行执行的，执行完成后就退出了，在主程序刚刚启动的时候可以指定一个post start 主程序启动开始后执行一些操作，在主程序结束前可以指定一个 pre stop 表示主程序结束前执行的一些操作。在程序启动后可以做两类检测 liveness probe（存活性探测）和 readness probe（就绪性探测）。如下图：

探针是由 kubelet 对容器执行的定期诊断。要执行诊断，kubelet 调用由容器实现的Handler。其存活性探测的方法有以下三种：

ExecAction：在容器内执行指定命令。如果命令退出时返回码为 0 则认为诊断成功。
TCPSocketAction：对指定端口上的容器的 IP 地址进行 TCP 检查。如果端口打开，则诊断被认为是成功的。
HTTPGetAction：对指定的端口和路径上的容器的 IP 地址执行 HTTP Get 请求。如果响应的状态码大于等于200 且小于 400，则诊断被认为是成功的。

设置exec探针举例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    test: liveness-exec
  name: liveness-exec
spec:
  containers:
  - name: liveness-exec-demo
    image: busybox
    args: ["/bin/sh","-c","touch /tmp/healthy;sleep 60;rm -rf /tmp/healthy;"sleep 600]
    livenessProbe:
      exec:
        command: ["test","-e","/tmp/healthy"]

上面的资源清单中定义了一个Pod 对象，基于 busybox 镜像启动一个运行 " touch /tmp/healthy；sleep 60； rm -rf /tmp/healthy；sleep 600" 命令的容器，此命令在容器启动时创建 /tmp/healthy 文件，并于 60 秒之后将其删除。存活性探针运行 "test -e /tmp/healthy" 命令检查 /tmp/healthy 文件的存在性，若文件存在则返回状态码 0，表示成功通过测试。

设置HTTP探针举例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    test: liveness-http
  name: liveness-http
spec:
  containers:
  - name: liveness-http-demo
    image: nginx:1.12-alpine
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80
    lifecycle:
      postStart:
        exec:
          command: ["/bin/sh","-c","echo healthy > /usr/share/nginx/html/healthy"]
    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /healthy
        port: http
        scheme: HTTP

上面清单文件中定义的 httpGet 测试中，请求的资源路径为 "/healthy"，地址默认为 Pod IP，端口使用了容器中定义的端口名称 HTTP，这也是明确为容器指明要暴露的端口的用途之一。

设置TCP探针举例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    test: liveness-tcp
  name: liveness-tcp
spec:
  containers:
  - name: liveness-tcp-demo
    image: nginx:1.12-alpine
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80
    livenessProbe:
      tcpSocket:
        port: http

上面的资源清单文件，向 Pod IP 的 80/tcp 端口发起连接请求，并根据连接建立的状态判断 Pod 存活状态。

每次探测都将获得以下三种结果之一：

成功：容器通过了诊断。
失败：容器未通过诊断。
未知：诊断失败，因此不会采取任何行动。

Kubelet 可以选择是否执行在容器上运行的两种探针执行和做出反应：

livenessProbe：指示容器是否正在运行。如果存活探测失败，则 kubelet 会杀死容器，并且容器将受到其重启策略的影响。如果容器不提供存活探针，则默认状态为 Success。
readinessProbe：指示容器是否准备好服务请求。如果就绪探测失败，端点控制器将从与 Pod 匹配的所有 Service 的端点中删除该 Pod 的 IP 地址。初始延迟之前的就绪状态默认为 Failure。如果容器不提供就绪探针，则默认状态为 Success。

5、livenessProbe和readinessProbe使用场景

如果容器中的进程能够在遇到问题或不健康的情况下自行崩溃，则不一定需要存活探针；kubelet 将根据 Pod 的restartPolicy 自动执行正确的操作。

如果希望容器在探测失败时被杀死并重新启动，那么请指定一个存活探针，并指定 restartPolicy 为 Always 或 OnFailure。

如果要仅在探测成功时才开始向 Pod 发送流量，请指定就绪探针。在这种情况下，就绪探针可能与存活探针相同，但是 spec 中的就绪探针的存在意味着 Pod 将在没有接收到任何流量的情况下启动，并且只有在探针探测成功后才开始接收流量。

如果您希望容器能够自行维护，您可以指定一个就绪探针，该探针检查与存活探针不同的端点。

请注意，如果您只想在 Pod 被删除时能够排除请求，则不一定需要使用就绪探针；在删除 Pod 时，Pod 会自动将自身置于未完成状态，无论就绪探针是否存在。当等待 Pod 中的容器停止时，Pod 仍处于未完成状态。

6、Pod的重启策略

PodSpec 中有一个 restartPolicy 字段，可能的值为 Always、OnFailure 和 Never。默认为 Always。 restartPolicy 适用于 Pod 中的所有容器。restartPolicy 仅指通过同一节点上的 kubelet 重新启动容器。失败的容器由 kubelet 以五分钟为上限的指数退避延迟（10秒，20秒，40秒...）重新启动，并在成功执行十分钟后重置。pod一旦绑定到一个节点，Pod 将永远不会重新绑定到另一个节点。

7、Pod的生命

一般来说，Pod 不会消失，直到人为销毁他们。这可能是一个人或控制器。这个规则的唯一例外是成功或失败的 phase 超过一段时间（由 master 确定）的Pod将过期并被自动销毁。

有三种可用的控制器：

使用 Job 运行预期会终止的 Pod，例如批量计算。Job 仅适用于重启策略为 OnFailure 或 Never 的 Pod。

对预期不会终止的 Pod 使用 ReplicationController、ReplicaSet 和 Deployment ，例如 Web 服务器。 ReplicationController 仅适用于具有 restartPolicy 为 Always 的 Pod。
提供特定于机器的系统服务，使用 DaemonSet 为每台机器运行一个 Pod 。

所有这三种类型的控制器都包含一个 PodTemplate。建议创建适当的控制器，让它们来创建 Pod，而不是直接自己创建 Pod。这是因为单独的Pod在机器故障的情况下没有办法自动复原，而控制器却可以。

如果节点死亡或与集群的其余部分断开连接，则 Kubernetes将应用一个策略将丢失节点上的所有 Pod 的 phase 设置为 Failed。

8、livenessProbe解析

[root@master ~]# kubectl explain pod.spec.containers.livenessProbe

KIND:     Pod
VERSION:  v1

RESOURCE: livenessProbe