深入解析kubernetes中的选举机制
Overview
在 Kubernetes的 kube-controller-manager , kube-scheduler, 以及使用 Operator 的底层实现 controller-rumtime 都支持高可用系统中的leader选举，本文将以理解 controller-rumtime （底层的实现是 client-go） 中的leader选举以在kubernetes controller中是如何实现的。
Background
在运行 kube-controller-manager 时，是有一些参数提供给cm进行leader选举使用的，可以参考官方文档提供的 参数 来了解相关参数。
--leader-elect Default: true
--leader-elect-renew-deadline duration Default: 10s
--leader-elect-resource-lock string Default: "leases"
--leader-elect-resource-name string Default: "kube-controller-manager"
--leader-elect-resource-namespace string Default: "kube-system"
--leader-elect-retry-period duration Default: 2s
...
本身以为这些组件的选举动作时通过etcd进行的，但是后面对 controller-runtime 学习时，发现并没有配置其相关的etcd相关参数，这就引起了对选举机制的好奇。怀着这种好奇心搜索了下有关于 kubernetes的选举，发现官网是这么介绍的，下面是对官方的说明进行一个通俗总结。simple leader election with kubernetes
通过阅读文章得知，kubernetes API 提供了一中选举机制，只要运行在集群内的容器，都是可以实现选举功能的。
Kubernetes API通过提供了两个属性来完成选举动作的
- ResourceVersions：每个API对象唯一一个ResourceVersion
- Annotations：每个API对象都可以对这些key进行注释
注：这种选举会增加APIServer的压力。也就对etcd会产生影响
那么有了这些信息之后，我们来看一下，在Kubernetes集群中，谁是cm的leader（我们提供的集群只有一个节点，所以本节点就是leader）
在Kubernetes中所有启用了leader选举的服务都会生成一个 EndPoint ，在这个 EndPoint 中会有上面提到的label（Annotations）来标识谁是leader。
$ kubectl get ep -n kube-system
NAME ENDPOINTS AGE
kube-controller-manager <none> 3d4h
kube-dns 3d4h
kube-scheduler <none> 3d4h
这里以 kube-controller-manager 为例，来看下这个 EndPoint 有什么信息
[root@master-machine ~]# kubectl describe ep kube-controller-manager -n kube-system
Name: kube-controller-manager
Namespace: kube-system
Labels: <none>
Annotations: control-plane.alpha.kubernetes.io/leader:
{"holderIdentity":"master-machine_06730140-a503-487d-850b-1fe1619f1fe1","leaseDurationSeconds":15,"acquireTime":"2022-06-27T15:30:46Z","re...
Subsets:
Events:
Type Reason Age From Message
---- ------ ---- ---- -------
Normal LeaderElection 2d22h kube-controller-manager master-machine_76aabcb5-49ff-45ff-bd18-4afa61fbc5af became leader
Normal LeaderElection 9m kube-controller-manager master-machine_06730140-a503-487d-850b-1fe1619f1fe1 became leader
可以看出 Annotations: control-plane.alpha.kubernetes.io/leader: 标出了哪个node是leader。
election in controller-runtime
controller-runtime 有关leader选举的部分在 pkg/leaderelection 下面，总共100行代码，我们来看下做了些什么？
可以看到，这里只提供了创建资源锁的一些选项
type Options struct {
// 在manager启动时，决定是否进行选举
LeaderElection bool
// 使用那种资源锁 默认为租用 lease
LeaderElectionResourceLock string
// 选举发生的名称空间
LeaderElectionNamespace string
// 该属性将决定持有leader锁资源的名称
LeaderElectionID string
}
通过 NewResourceLock 可以看到，这里是走的 client-go/tools/leaderelection下面，而这个leaderelection也有一个 example 来学习如何使用它。
通过 example 可以看到，进入选举的入口是一个 RunOrDie() 的函数
// 这里使用了一个lease锁，注释中说愿意为集群中存在lease的监听较少
lock := &resourcelock.LeaseLock{
LeaseMeta: metav1.ObjectMeta{
Name: leaseLockName,
Namespace: leaseLockNamespace,
},
Client: client.CoordinationV1(),
LockConfig: resourcelock.ResourceLockConfig{
Identity: id,
},
}
// 开启选举循环
leaderelection.RunOrDie(ctx, leaderelection.LeaderElectionConfig{
Lock: lock,
// 这里必须保证拥有的租约在调用cancel()前终止，否则会仍有一个loop在运行
ReleaseOnCancel: true,
LeaseDuration: 60 * time.Second,
RenewDeadline: 15 * time.Second,
RetryPeriod: 5 * time.Second,
Callbacks: leaderelection.LeaderCallbacks{
OnStartedLeading: func(ctx context.Context) {
// 这里填写你的代码，
// usually put your code
run(ctx)
},
OnStoppedLeading: func() {
// 这里清理你的lease
klog.Infof("leader lost: %s", id)
os.Exit(0)
},
OnNewLeader: func(identity string) {
// we're notified when new leader elected
if identity == id {
// I just got the lock
return
}
klog.Infof("new leader elected: %s", identity)
},
},
})
到这里，我们了解了锁的概念和如何启动一个锁，下面看下，client-go都提供了那些锁。
在代码 tools/leaderelection/resourcelock/interface.go 定义了一个锁抽象，interface提供了一个通用接口，用于锁定leader选举中使用的资源。
type Interface interface {
// Get 返回选举记录
Get(ctx context.Context) (*LeaderElectionRecord, []byte, error)
// Create 创建一个LeaderElectionRecord
Create(ctx context.Context, ler LeaderElectionRecord) error
// Update will update and existing LeaderElectionRecord
Update(ctx context.Context, ler LeaderElectionRecord) error
// RecordEvent is used to record events
RecordEvent(string)
// Identity 返回锁的标识
Identity() string
// Describe is used to convert details on current resource lock into a string
Describe() string
}
那么实现这个抽象接口的就是，实现的资源锁，我们可以看到，client-go提供了四种资源锁
- leaselock
- configmaplock
- multilock
- endpointlock
leaselock
Lease是kubernetes控制平面中的通过ETCD来实现的一个Leases的资源，主要为了提供分布式租约的一种控制机制。相关对这个API的描述可以参考于：Lease 。
在Kubernetes集群中，我们可以使用如下命令来查看对应的lease
$ kubectl get leases -A
NAMESPACE NAME HOLDER AGE
kube-node-lease master-machine master-machine 3d19h
kube-system kube-controller-manager master-machine_06730140-a503-487d-850b-1fe1619f1fe1 3d19h
kube-system kube-scheduler master-machine_1724e2d9-c19c-48d7-ae47-ee4217b27073 3d19h
$ kubectl describe leases kube-controller-manager -n kube-system
Name: kube-controller-manager
Namespace: kube-system
Labels: <none>
Annotations: <none>
API Version: coordination.k8s.io/v1
Kind: Lease
Metadata:
Creation Timestamp: 2022-06-24T11:01:51Z
Managed Fields:
API Version: coordination.k8s.io/v1
Fields Type: FieldsV1
fieldsV1:
f:spec:
f:acquireTime:
f:holderIdentity:
f:leaseDurationSeconds:
f:leaseTransitions:
f:renewTime:
Manager: kube-controller-manager
Operation: Update
Time: 2022-06-24T11:01:51Z
Resource Version: 56012
Self Link: /apis/coordination.k8s.io/v1/namespaces/kube-system/leases/kube-controller-manager
UID: 851a32d2-25dc-49b6-a3f7-7a76f152f071
Spec:
Acquire Time: 2022-06-27T15:30:46.000000Z
Holder Identity: master-machine_06730140-a503-487d-850b-1fe1619f1fe1
Lease Duration Seconds: 15
Lease Transitions: 2
Renew Time: 2022-06-28T06:09:26.837773Z
Events: <none>
下面来看下leaselock的实现，leaselock会实现了作为资源锁的抽象
type LeaseLock struct {
// LeaseMeta 就是类似于其他资源类型的属性，包含name ns 以及其他关于lease的属性
LeaseMeta metav1.ObjectMeta
Client coordinationv1client.LeasesGetter // Client 就是提供了informer中的功能
// lockconfig包含上面通过 describe 看到的 Identity与recoder用于记录资源锁的更改
LockConfig ResourceLockConfig
// lease 就是 API中的Lease资源，可以参考下上面给出的这个API的使用
lease *coordinationv1.Lease
}
下面来看下leaselock实现了那些方法？
Get
Get 是从spec中返回选举的记录
func (ll *LeaseLock) Get(ctx context.Context) (*LeaderElectionRecord, []byte, error) {
var err error
ll.lease, err = ll.Client.Leases(ll.LeaseMeta.Namespace).Get(ctx, ll.LeaseMeta.Name, metav1.GetOptions{})
if err != nil {
return nil, nil, err
}
record := LeaseSpecToLeaderElectionRecord(&ll.lease.Spec)
recordByte, err := json.Marshal(*record)
if err != nil {
return nil, nil, err
}
return record, recordByte, nil
}
// 可以看出是返回这个资源spec里面填充的值
func LeaseSpecToLeaderElectionRecord(spec *coordinationv1.LeaseSpec) *LeaderElectionRecord {
var r LeaderElectionRecord
if spec.HolderIdentity != nil {
r.HolderIdentity = *spec.HolderIdentity
}
if spec.LeaseDurationSeconds != nil {
r.LeaseDurationSeconds = int(*spec.LeaseDurationSeconds)
}
if spec.LeaseTransitions != nil {
r.LeaderTransitions = int(*spec.LeaseTransitions)
}
if spec.AcquireTime != nil {
r.AcquireTime = metav1.Time{spec.AcquireTime.Time}
}
if spec.RenewTime != nil {
r.RenewTime = metav1.Time{spec.RenewTime.Time}
}
return &r
}
Create
Create 是在kubernetes集群中尝试去创建一个租约，可以看到，Client就是API提供的对应资源的REST客户端，结果会在Kubernetes集群中创建这个Lease
func (ll *LeaseLock) Create(ctx context.Context, ler LeaderElectionRecord) error {
var err error
ll.lease, err = ll.Client.Leases(ll.LeaseMeta.Namespace).Create(ctx, &coordinationv1.Lease{
ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
Name: ll.LeaseMeta.Name,
Namespace: ll.LeaseMeta.Namespace,
},
Spec: LeaderElectionRecordToLeaseSpec(&ler),
}, metav1.CreateOptions{})
return err
}
Update
Update 是更新Lease的spec
func (ll *LeaseLock) Update(ctx context.Context, ler LeaderElectionRecord) error {
if ll.lease == nil {
return errors.New("lease not initialized, call get or create first")
}
ll.lease.Spec = LeaderElectionRecordToLeaseSpec(&ler)
lease, err := ll.Client.Leases(ll.LeaseMeta.Namespace).Update(ctx, ll.lease, metav1.UpdateOptions{})
if err != nil {
return err
}
ll.lease = lease
return nil
}
RecordEvent
RecordEvent 是记录选举时出现的事件，这时候我们回到上部分 在kubernetes集群中查看 ep 的信息时可以看到的event中存在 became leader 的事件，这里就是将产生的这个event添加到 meta-data 中。
func (ll *LeaseLock) RecordEvent(s string) {
if ll.LockConfig.EventRecorder == nil {
return
}
events := fmt.Sprintf("%v %v", ll.LockConfig.Identity, s)
subject := &coordinationv1.Lease{ObjectMeta: ll.lease.ObjectMeta}
// Populate the type meta, so we don't have to get it from the schema
subject.Kind = "Lease"
subject.APIVersion = coordinationv1.SchemeGroupVersion.String()
ll.LockConfig.EventRecorder.Eventf(subject, corev1.EventTypeNormal, "LeaderElection", events)
}
到这里大致上了解了资源锁究竟是什么了，其他种类的资源锁也是相同的实现的方式，这里就不过多阐述了；下面的我们来看看选举的过程。
election workflow
选举的代码入口是在 leaderelection.go ，这里会继续上面的 example 向下分析整个选举的过程。
前面我们看到了进入选举的入口是一个 RunOrDie() 的函数，那么就继续从这里开始来了解。进入 RunOrDie，看到其实只有几行而已，大致上了解到了RunOrDie会使用提供的配置来启动选举的客户端，之后会阻塞，直到 ctx 退出，或停止持有leader的租约。
func RunOrDie(ctx context.Context, lec LeaderElectionConfig) {
le, err := NewLeaderElector(lec)
if err != nil {
panic(err)
}
if lec.WatchDog != nil {
lec.WatchDog.SetLeaderElection(le)
}
le.Run(ctx)
}
下面看下 NewLeaderElector 做了些什么？可以看到，LeaderElector是一个结构体，这里只是创建他，这个结构体提供了我们选举中所需要的一切（LeaderElector就是RunOrDie创建的选举客户端）。
func NewLeaderElector(lec LeaderElectionConfig) (*LeaderElector, error) {
if lec.LeaseDuration <= lec.RenewDeadline {
return nil, fmt.Errorf("leaseDuration must be greater than renewDeadline")
}
if lec.RenewDeadline <= time.Duration(JitterFactor*float64(lec.RetryPeriod)) {
return nil, fmt.Errorf("renewDeadline must be greater than retryPeriod*JitterFactor")
}
if lec.LeaseDuration < 1 {
return nil, fmt.Errorf("leaseDuration must be greater than zero")
}
if lec.RenewDeadline < 1 {
return nil, fmt.Errorf("renewDeadline must be greater than zero")
}
if lec.RetryPeriod < 1 {
return nil, fmt.Errorf("retryPeriod must be greater than zero")
}
if lec.Callbacks.OnStartedLeading == nil {
return nil, fmt.Errorf("OnStartedLeading callback must not be nil")
}
if lec.Callbacks.OnStoppedLeading == nil {
return nil, fmt.Errorf("OnStoppedLeading callback must not be nil")
}
if lec.Lock == nil {
return nil, fmt.Errorf("Lock must not be nil.")
}
le := LeaderElector{
config: lec,
clock: clock.RealClock{},
metrics: globalMetricsFactory.newLeaderMetrics(),
}
le.metrics.leaderOff(le.config.Name)
return &le, nil
}
LeaderElector 是建立的选举客户端，
type LeaderElector struct {
config LeaderElectionConfig // 这个的配置，包含一些时间参数，健康检查
// recoder相关属性
observedRecord rl.LeaderElectionRecord
observedRawRecord []byte
observedTime time.Time
// used to implement OnNewLeader(), may lag slightly from the
// value observedRecord.HolderIdentity if the transition has
// not yet been reported.
reportedLeader string
// clock is wrapper around time to allow for less flaky testing
clock clock.Clock
// 锁定 observedRecord
observedRecordLock sync.Mutex
metrics leaderMetricsAdapter
}
可以看到 Run 实现的选举逻辑就是在初始化客户端时传入的 三个 callback
func (le *LeaderElector) Run(ctx context.Context) {
defer runtime.HandleCrash()
defer func() { // 退出时执行callbacke的OnStoppedLeading
le.config.Callbacks.OnStoppedLeading()
}()
if !le.acquire(ctx) {
return
}
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
go le.config.Callbacks.OnStartedLeading(ctx) // 选举时，执行 OnStartedLeading
le.renew(ctx)
}
在 Run 中调用了 acquire，这个是 通过一个loop去调用 tryAcquireOrRenew，直到ctx传递过来结束信号
func (le *LeaderElector) acquire(ctx context.Context) bool {
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
succeeded := false
desc := le.config.Lock.Describe()
klog.Infof("attempting to acquire leader lease %v...", desc)
// jitterUntil是执行定时的函数 func() 是定时任务的逻辑
// RetryPeriod是周期间隔
// JitterFactor 是重试系数，类似于延迟队列中的系数 （duration + maxFactor * duration）
// sliding 逻辑是否计算在时间内
// 上下文传递
wait.JitterUntil(func() {
succeeded = le.tryAcquireOrRenew(ctx)
le.maybeReportTransition()
if !succeeded {
klog.V(4).Infof("failed to acquire lease %v", desc)
return
}
le.config.Lock.RecordEvent("became leader")
le.metrics.leaderOn(le.config.Name)
klog.Infof("successfully acquired lease %v", desc)
cancel()
}, le.config.RetryPeriod, JitterFactor, true, ctx.Done())
return succeeded
}
这里实际上选举动作在 tryAcquireOrRenew 中，下面来看下tryAcquireOrRenew；tryAcquireOrRenew 是尝试获得一个leader租约，如果已经获得到了，则更新租约；否则可以得到租约则为true，反之false
func (le *LeaderElector) tryAcquireOrRenew(ctx context.Context) bool {
now := metav1.Now() // 时间
leaderElectionRecord := rl.LeaderElectionRecord{ // 构建一个选举record
HolderIdentity: le.config.Lock.Identity(), // 选举人的身份特征，ep与主机名有关
LeaseDurationSeconds: int(le.config.LeaseDuration / time.Second), // 默认15s
RenewTime: now, // 重新获取时间
AcquireTime: now, // 获得时间
}
// 1. 从API获取或创建一个recode，如果可以拿到则已经有租约，反之创建新租约
oldLeaderElectionRecord, oldLeaderElectionRawRecord, err := le.config.Lock.Get(ctx)
if err != nil {
if !errors.IsNotFound(err) {
klog.Errorf("error retrieving resource lock %v: %v", le.config.Lock.Describe(), err)
return false
}
// 创建租约的动作就是新建一个对应的resource，这个lock就是leaderelection提供的四种锁，
// 看你在runOrDie中初始化传入了什么锁
if err = le.config.Lock.Create(ctx, leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("error initially creating leader election record: %v", err)
return false
}
// 到了这里就已经拿到或者创建了租约，然后记录其一些属性，LeaderElectionRecord
le.setObservedRecord(&leaderElectionRecord)
return true
}
// 2. 获取记录检查身份和时间
if !bytes.Equal(le.observedRawRecord, oldLeaderElectionRawRecord) {
le.setObservedRecord(oldLeaderElectionRecord)
le.observedRawRecord = oldLeaderElectionRawRecord
}
if len(oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity) > 0 &&
le.observedTime.Add(le.config.LeaseDuration).After(now.Time) &&
!le.IsLeader() { // 不是leader，进行HolderIdentity比较，再加上时间，这个时候没有到竞选其，跳出
klog.V(4).Infof("lock is held by %v and has not yet expired", oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity)
return false
}
// 3.我们将尝试更新。 在这里leaderElectionRecord设置为默认值。让我们在更新之前更正它。
if le.IsLeader() { // 到这就说明是leader，修正他的时间
leaderElectionRecord.AcquireTime = oldLeaderElectionRecord.AcquireTime
leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions
} else { // LeaderTransitions 就是指leader调整（转变为其他）了几次，如果是，
// 则为发生转变，保持原有值
// 反之，则+1
leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions + 1
}
// 完事之后更新APIServer中的锁资源，也就是更新对应的资源的属性信息
if err = le.config.Lock.Update(ctx, leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("Failed to update lock: %v", err)
return false
}
// setObservedRecord 是通过一个新的record来更新这个锁中的record
// 操作是安全的，会上锁保证临界区仅可以被一个线程/进程操作
le.setObservedRecord(&leaderElectionRecord)
return true
}
summary
到这里，已经完整知道利用kubernetes进行选举的流程都是什么了；下面简单回顾下，上述leader选举所有的步骤：
- 首选创建的服务就是该服务的leader，锁可以为
lease,endpoint等资源进行上锁 - 已经是leader的实例会不断续租，租约的默认值是15秒 （
leaseDuration）；leader在租约满时更新租约时间（renewTime）。 - 其他的follower，会不断检查对应资源锁的存在，如果已经有leader，那么则检查
renewTime，如果超过了租用时间（），则表明leader存在问题需要重新启动选举，直到有follower提升为leader。 - 而为了避免资源被抢占，Kubernetes API使用了
ResourceVersion来避免被重复修改（如果版本号与请求版本号不一致，则表示已经被修改了，那么APIServer将返回错误）
Reference
Kubernetes 并发控制与数据一致性的实现原理
Controller manager 的高可用实现方式
deep dive into kubernetes simple leader election