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    RtxTitanV的博客：Kubernetes控制器之ReplicaSet

    作者：[db:作者] 时间：2021-07-07 10:09

    ReplicaSet用来维护一组在任何时候都处于运行状态的Pod保持稳定的副本数。因此，它通常用来保证给定数量的完全相同的Pod的可用性。现在ReplicaSet基本取代了ReplicationController，ReplicaSet支持集合式的selector，而ReplicationController仅支持等式。不过现在建议使用Deployment来自动管理ReplicaSet，这样无需担心跟其他机制的不兼容问题，并且还支持版本记录、回滚、暂停升级等高级特性。

    本文主要对Kubernetes的ReplicaSet控制器进行简单总结。

    一、环境信息

    本文所使用的环境如下：

    • 操作系统：CentOS Linux release 8.2.2004
    • Docker：19.03.12
    • kubernetes：v1.18.5

    二、ReplicaSet简介

    ReplicaSet的目的是维护一组在任何时候都处于运行状态的Pod保持稳定的副本数。因此，它通常用来保证给定数量的完全相同的Pod的可用性。

    至于RepicaSet的工作原理，首先RepicaSet是通过一组字段定义的，包括一个用来识别可获得的Pod的selector，一个用来表明应该维护的Pod副本数（replica），一个用来指定应该创建新Pod以满足副本数条件时要使用的Pod模板（template）等。每个 ReplicaSet都将根据需要创建和删除Pod以达到期望的Pod副本数。当ReplicaSet需要创建新的Pod时，会使用所提供的Pod模板。ReplicaSet通过Pod上的metadata.ownerReferences字段连接到所属Pod，该字段指定当前对象属于哪个资源。ReplicaSet所获得的Pod都在其ownerReferences字段中包含了属主ReplicaSet的标识信息。正是通过这一连接，ReplicaSet获知了它所维护的Pod集合的状态并据此计划其操作行为。ReplicaSet使用其selector来识别要获取的Pod。如果某个Pod没有OwnerReference或者其OwnerReference不是一个控制器，并且其匹配到某ReplicaSet的selector，则该Pod立即被此ReplicaSet获得。

    虽然ReplicaSet可以确保任何时间都有指定数量的Pod副本运行并可以独立使用，但现在它主要是用作协调Deploymen创建、删除和更新Pod的一种机制。使用Deployment时，我们不必担心它们创建的ReplicaSet如何管理，Deployment会拥有并管理它们，并向Pod提供声明式的更新以及许多其他有用的功能，例如滚动更新，Deployment支持而ReplicaSet不支持。所以推荐使用Deployment而不是直接使用ReplicaSet，除非需要自定义更新业务流程或根本不需要更新。

    三、创建ReplicaSet

    1.ReplicaSet清单

    可以通过以下命令查看ReplicaSet资源清单规则：

    kubectl explain rs
kubectl explain rs.spec
kubectl explain rs.spec.template

    也可以通过官方Kubernetes API手册进行查找。这里主要总结一下资源清单中重要的字段：

    字段类型说明
    apiVersionstringapi版本定义
    kindstring资源类型定义
    metadataobject元数据定义
    specobjectReplicaSet的Spec定义
    spec.replicasintegerPod副本的期望数目，默认值为1
    spec.selectorobject标签选择器，定义匹配Pod的标签。ReplicaSet管理所有标签与标签选择器匹配的Pod
    spec.selector.matchLabelsobject{key，value}对的映射
    spec.templateobjectPod模板定义，除了它是嵌套的并且没有apiVersion和kind之外，与Pod资源清单的语法几乎完全一致。它是spec唯一需要的字段
    spec.template.metadataobjectPod的元数据定义
    spec.template.metadata.namestring定义Pod的名称
    spec.template.metadata.labelsobject定义Pod的标签，必须与spec.selector匹配（可以多出其他标签），否则它将被API拒绝
    spec.template.specobjectPod的Spec定义

    注意：

    • 对于2个指定相同spec.selector但不同spec.template.metadata.labels和spec.template.spec字段的ReplicaSet，每个ReplicaSet将忽略另一个ReplicaSet创建的Pod。
    • 通常情况下不应该创建标签与此ReplicaSet标签选择器匹配的任何Pod，或者直接与另一个ReplicaSet或另一个控制器（如 Deployment）匹配的任何Pod，否则ReplicaSet会认为是它创建了这些Pod。

    2.ReplicaSet示例

    ReplicaSet通过其selector来识别要获取的Pod，管理所有标签与标签选择器匹配的Pod，一个简单的示意图如下：
    1
    首先准备一个镜像，创建一个名为mynginx1的Dockerfile文件：

    FROM nginx:alpine
RUN echo 'mynginx:v1' > /usr/share/nginx/html/index.html

    构建mynginx:v1镜像：

    docker build -t mynginx:v1 -f mynginx1 .

    创建ReplicaSet资源清单文件mynginx-rs.yaml：

    apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: mynginx-rs
  labels:
    app: mynginx
    env: test
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mynginx
      env: test
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mynginx
        env: test
        creator: rtxtitanv
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: mynginx:v1
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80

    执行以下命令创建ReplicaSet：

    kubectl apply -f mynginx-rs.yaml

    查看ReplicaSet和Pod信息：

    kubectl get rs -o wide 
kubectl describe rs mynginx-rs
kubectl get pod -o wide --show-labels

    2
    验证这些Pod的所有者引用是否为mynginx-rs，查看其中一个Pod的Yaml：

    kubectl get pod mynginx-rs-jrv2t -o yaml

    查看结果如下，这里只列出了其中一部分：

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  creationTimestamp: "2020-08-24T02:06:33Z"
  generateName: mynginx-rs-
  labels:
    app: mynginx
    creator: rtxtitanv
    env: test
...
  name: mynginx-rs-jrv2t
  namespace: default
  ownerReferences:
  - apiVersion: apps/v1
    blockOwnerDeletion: true
    controller: true
    kind: ReplicaSet
    name: mynginx-rs
    uid: 066e381d-e74e-48ab-bfaa-732e308f2d0a
  resourceVersion: "543754"
  selfLink: /api/v1/namespaces/default/pods/mynginx-rs-jrv2t
  uid: aaf22e96-38f5-4604-a4cb-119f26e67117
...

    可见在元数据的ownerReferences字段中设置了mynginx-rs的信息。下面删除其中一个Pod再次查看Pod，发现又创建了一个新的Pod以维持Pod副本数：
    3

    3.获取非模板创建的Pod

    在创建没有控制器管理的Pod时最好确保Pod的标签不要与ReplicaSet的标签选择器匹配，因为ReplicaSet不限于拥有其Pod模板所指定的Pod，它可以获取其他的Pod。获取非模板创建的Pod有两种情况，如果先创建了ReplicaSet再创建标签与ReplicaSet的标签选择器匹配的Pod，ReplicaSet也会获取这些标签与ReplicaSet的标签选择器匹配的Pod，但是由于ReplicaSet会维护Pod副本数稳定处于期望副本数，获取了这些非模板创建的Pod后ReplicaSet所管理的Pod超出了期望副本数，这时这些非模板创建的Pod会被ReplicaSet终止。如下图所示，灰色的两个Pod表示在ReplicaSet之后创建的标签与ReplicaSet标签选择器匹配的Pod，被ReplicaSet获取之后由于超出了期望副本数3而被终止：
    4
    下面就创建两个与ReplicaSet的标签选择器匹配的Pod，先创建资源清单文件mynginx-pods.yaml：

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mynginx-pod1
  labels:
    app: mynginx
    env: test
    creator: rtxtitanv
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: mynginx:v1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80         
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mynginx-pod2
  labels:
    app: mynginx
    env: test
    creator: rtxtitanv
spec:
  containers:
  - name: mginx
    image: mynginx:v1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80

    创建与ReplicaSet的标签选择器匹配的Pod并查看，发现新创建的Pod已终止或正在终止：
    5
    如果先创建标签与ReplicaSet的标签选择器匹配的Pod再创建ReplicaSet，ReplicaSet会先获取这些Pod，如果没有达到期望的副本数，ReplicaSet会根据其Spec创建了新的Pod直到Pod副本数达到期望数目为止，不管怎样，ReplicaSet会维护Pod副本数保持在期望副本数。如下图所示，先创建了图中左边的两个Pod，然后创建ReplicaSet，先创建的两个Pod标签匹配ReplicaSet标签选择器，被ReplicaSet获取，此时Pod副本数小于期望副本数3（如果等于期望副本数，则不会再创建Pod，如果多于期望副本数，会删除多余的Pod以维持期望副本数），ReplicaSet会根据其Pod模板再创建一个Pod：
    6
    删除ReplicaSet，然后先创建上面这两个Pod，再创建ReplicaSet，查看所有Pod发现ReplicaSet已经获取到了这两个自主创建的Pod，并根据其Spec创建了新的Pod直到Pod副本数达到期望数目为止，这样ReplicaSet就拥有了一组非同构的Pod：
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    四、更新ReplicaSet

    可以通过修改ReplicaSet的Pod模板来更新ReplicaSet，如下图所示，将Pod使用的镜像由mynginx:v1改为mynginx:v2，重载ReplicaSet可以进行更新，但由于新旧ReplicaSet的spec.selector是相同的，新的ReplicaSet将接管老ReplicaSet的Pod，所以需要删除老ReplicaSet所创建的Pod，新的ReplicaSet就会根据其Pod模板创建新的Pod，达到期望副本数为止：
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    10
    先准备一个mynginx:v2镜像，创建一个名为mynginx2的Dockerfile文件：

    FROM nginx:alpine
RUN echo 'mynginx:v2' > /usr/share/nginx/html/index.html

    构建mynginx:v2镜像：

    docker build -t mynginx:v2 -f mynginx2 .

    先删除之前创建的ReplicaSet再重新创建，然后修改Pod模板以进行更新。如下所示，修改ReplicaSet资源清单文件，将镜像mynginx:v1改为mynginx:v2：

      template:
    metadata:
      labels:
        app: mynginx
        env: test
        creator: rtxtitanv
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: mynginx:v2
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80

    执行apply命令重载ReplicaSet，然后执行下面的命令查看Pod所用镜像，发现没有更新，如下图所示：

    kubectl get pod -o custom-columns=Name:metadata.name,Image:spec.containers[0].image

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    这是因为这些Pod是在ReplicaSet重载之前创建的，需要手动删除ReplicaSet管理的Pod。下面手动删除ReplicaSet管理的Pod后再次查看Pod所用镜像，发现已经更新：
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    五、缩放ReplicaSet

    通过更新spec.replicas字段，ReplicaSet可以被轻松的进行缩放。可以通过编辑资源清单文件修改spec.replicas字段，也可以通过kubect edit命令修改，kubectl还提供了一个子命令scale用于实现应用规模的伸缩，支持从资源清单文件中获取新的目标副本数量，也可以直接在命令行通过--replicas选项进行读取。下面先查看ReplicaSet和Pod：
    13
    然后执行以下命令将Pod副本扩容为5个：

    kubectl scale rs mynginx-rs --replicas=5

    查看ReplicaSet和Pod：
    14
    执行以下命令将Pod副本收缩至3个：

    kubectl scale rs mynginx-rs --replicas=3

    查看ReplicaSet和Pod：
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    ReplicaSet也可以被HPA（Horizontal Pod Autoscaler）自动缩放。例如以下HPA资源清单：

    apiVersion: autoscaling/v1
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: mynginx-scaler
spec:
  scaleTargetRef:
    kind: ReplicaSet
    name: mynginx-rs
  minReplicas: 3
  maxReplicas: 10
  targetCPUUtilizationPercentage: 50

    创建该HPA资源对象就能根据Pod的CPU利用率对目标ReplicaSet自动缩放，当CPU利用率超过50%，Pod最多不能扩容至超过10个，当CPU利用率低于50%，Pod最少不能缩减至少于3个。也可以使用kubectl autoscale命令完成相同的操作，更加简单：

    kubectl autoscale rs mynginx-rs --max=10 --min=3 --cpu-percent=50

    由于HPA需要获取CPU内存等指标，需要部署监控系统来收集这些指标，这里就不进行演示了。

    六、将Pod从ReplicaSet隔离

    可以通过改变Pod标签来从ReplicaSet中移除Pod。这种技术可以用来从服务中去除Pod，以便进行排错、数据恢复等。如果期望的副本数没有改变的话，以这种方式移除的Pod将被自动替换。如下图所示：
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    先查看Pod及其标签：
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    执行下面的命令修改其中一个pod的标签，然后查看Pod及标签，发现ReplicaSet又新建了一个标签为env=test的pod，如下图所示：

    kubectl label pod mynginx-rs-g75mm --overwrite env=dev

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    因为ReplicaSet管理所有标签与标签选择器匹配的Pod，当有一个pod的标签改变，不再与标签选择器匹配，这个Pod将从ReplicaSet中移除，而ReplicaSet发现管理的pod少了一个，就会新建一个以维持期望副本数。而app=mynginx1的pod就变为了自主pod，删除了也不会创建出一个新的Pod。下面删除修改了标签的Pod，发现并没有再创建Pod：
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    七、删除ReplicaSet

    要删除ReplicaSet和它的所有Pod，使用kubectl delete命令。默认情况下，垃圾收集器会自动删除所有依赖的Pod。执行以下命令删除ReplicaSet和它的所有Pod，然后查看ReplicaSet和Pod，发现均已经被删除，如下图所示：

    kubectl delete rs mynginx-rs

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    如果只想删除ReplicaSet而不删除它的Pod，可以使用kubectl delete命令并设置--cascade=false选项。先创建ReplicaSet，查看ReplicaSet和Pod：
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    执行以下命令只删除ReplicaSet，然后查看ReplicaSet和Pod，发现ReplicaSet被删了，Pod没有被删除，如下图所示：

    kubectl delete rs mynginx-rs --cascade=false

    22

    cs
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