Java `Kubernetes Operators` 开发：自定义资源管理与自动化运维

各位观众老爷们，晚上好！我是今天的主讲人，咱们今天聊聊 Java Kubernetes Operators 开发，也就是用 Java 来驯服 Kubernetes 这头“巨鲸”。

开场白：为什么要用 Java 写 Kubernetes Operators？

首先，咱们得明白，Kubernetes Operators 到底是个啥玩意儿？简单来说，Operators 就是 Kubernetes 里的“智能运维机器人”。它能帮你自动管理和维护你的应用程序，比如自动部署、自动扩容、自动修复等等。

那为什么要用 Java 呢？原因嘛，很简单：

• Java 程序员多啊！ 掌握 Java 的人遍地都是，学起来容易上手。
• Java 生态完善。 有 Spring Boot 这种神器，能快速搭建项目框架。
• 性能嘛，Java 也还行。 虽然比不上 Golang，但优化得当也能胜任。
• 可以复用大量现有代码。 企业内部很多遗留系统都是Java写的，可以很方便地将这些业务逻辑集成到 Operator 中。

当然，Golang 才是 Kubernetes 的“亲儿子”，但 Java 也有自己的优势，选择哪个，就看你的具体情况啦。

第一部分：Operator 基础概念扫盲

在开始撸代码之前，咱们先来补习一下 Operator 的基础知识。

• CRD (Custom Resource Definition): 自定义资源定义。你可以理解为 Kubernetes 的“数据库表结构”。通过 CRD，你可以定义自己的资源类型，比如 MyApp、MyDatabase 等等。
• Custom Resource (CR): 自定义资源。就是你根据 CRD 定义的资源实例，相当于“数据库表里的数据”。 比如，你可以创建一个 MyApp 类型的 CR，来描述你的应用程序。
• Controller: 控制器。这是 Operator 的核心组件，负责监听 CR 的变化，并根据 CR 的状态执行相应的操作。 比如，当 MyApp CR 创建时，Controller 可能会自动部署你的应用程序。
• Kubernetes API Server: Kubernetes 的大脑。Operator 通过 API Server 来与 Kubernetes 集群交互，比如创建、更新、删除资源等等。

简而言之，Operator 的工作流程是这样的：

1. 用户创建或修改 CR。
2. Kubernetes API Server 收到 CR 的变更通知。
3. Controller 监听到了 CR 的变更。
4. Controller 根据 CR 的状态执行相应的操作。
5. Controller 更新 CR 的状态。

可以用一个表格来总结：

组件	作用
CRD	定义自定义资源类型，告诉 Kubernetes 可以管理哪些新的资源。
CR	自定义资源的实例，包含了用户希望管理的应用或服务的具体配置。
Controller	监听 CR 的变化，并根据 CR 的状态执行相应的操作，比如创建 Deployment、Service 等等，最终保证集群状态与 CR 中定义的期望状态一致。
Kubernetes API Server	Kubernetes 的核心组件，Operator 通过 API Server 与 Kubernetes 集群进行交互，获取资源信息，创建、更新、删除资源等。它是 Operator 与 Kubernetes 集群之间的桥梁。

第二部分：手把手教你用 Java 写一个简单的 Operator

咱们用一个最简单的例子：自动创建一个 Deployment。

1. 环境准备

• Java Development Kit (JDK): 建议使用 Java 11 或更高版本。
• Maven: 用于构建和管理 Java 项目。
• Kubernetes 集群: 你需要一个 Kubernetes 集群来运行你的 Operator。可以使用 Minikube、Kind 或者云厂商提供的 Kubernetes 服务。
• kubectl: Kubernetes 命令行工具，用于与 Kubernetes 集群交互。

2. 创建 Maven 项目

使用 Maven 创建一个简单的 Java 项目：

mvn archetype:generate 
    -DgroupId=com.example 
    -DartifactId=my-operator 
    -DarchetypeArtifactId=maven-archetype-quickstart 
    -DinteractiveMode=false

3. 添加依赖

在 pom.xml 文件中添加 Kubernetes Java Client 的依赖：

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>io.fabric8</groupId>
        <artifactId>kubernetes-client</artifactId>
        <version>6.7.1</version> <!-- 使用最新版本 -->
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.slf4j</groupId>
        <artifactId>slf4j-api</artifactId>
        <version>1.7.36</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.slf4j</groupId>
        <artifactId>slf4j-simple</artifactId>
        <version>1.7.36</version>
    </dependency>
</dependencies>

4. 定义 CRD

首先，我们需要定义一个 CRD，来告诉 Kubernetes 我们要管理哪种类型的资源。

创建一个名为 MyApp.java 的文件：

package com.example;

import io.fabric8.kubernetes.api.model.Namespaced;
import io.fabric8.kubernetes.client.CustomResource;
import io.fabric8.kubernetes.model.annotation.Group;
import io.fabric8.kubernetes.model.annotation.Kind;
import io.fabric8.kubernetes.model.annotation.Version;

@Group("example.com")
@Version("v1")
@Kind("MyApp")
public class MyApp extends CustomResource<MyAppSpec, MyAppStatus> implements Namespaced {

    private MyAppSpec spec;
    private MyAppStatus status;

    @Override
    public MyAppSpec getSpec() {
        return spec;
    }

    @Override
    public void setSpec(MyAppSpec spec) {
        this.spec = spec;
    }

    @Override
    public MyAppStatus getStatus() {
        return status;
    }

    @Override
    public void setStatus(MyAppStatus status) {
        this.status = status;
    }
}

再创建 MyAppSpec.java 文件：

package com.example;

public class MyAppSpec {
    private String imageName;
    private int replicas;

    public String getImageName() {
        return imageName;
    }

    public void setImageName(String imageName) {
        this.imageName = imageName;
    }

    public int getReplicas() {
        return replicas;
    }

    public void setReplicas(int replicas) {
        this.replicas = replicas;
    }
}

最后创建 MyAppStatus.java 文件：

package com.example;

public class MyAppStatus {
    private String message;

    public String getMessage() {
        return message;
    }

    public void setMessage(String message) {
        this.message = message;
    }
}

5. 创建 Controller

创建一个名为 MyAppController.java 的文件：

package com.example;

import io.fabric8.kubernetes.api.model.apps.Deployment;
import io.fabric8.kubernetes.api.model.apps.DeploymentBuilder;
import io.fabric8.kubernetes.client.KubernetesClient;
import io.fabric8.kubernetes.client.informers.ResourceEventHandler;
import io.fabric8.kubernetes.client.informers.SharedIndexInformer;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class MyAppController implements ResourceEventHandler<MyApp> {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MyAppController.class);

    private final KubernetesClient client;
    private final SharedIndexInformer<MyApp> myAppInformer;

    public MyAppController(KubernetesClient client, SharedIndexInformer<MyApp> myAppInformer) {
        this.client = client;
        this.myAppInformer = myAppInformer;
    }

    @Override
    public void onAdd(MyApp myApp) {
        logger.info("MyApp added: {}", myApp.getMetadata().getName());
        createDeployment(myApp);
    }

    @Override
    public void onUpdate(MyApp oldMyApp, MyApp newMyApp) {
        logger.info("MyApp updated: {}", newMyApp.getMetadata().getName());
        // 在这里可以实现更新 Deployment 的逻辑
    }

    @Override
    public void onDelete(MyApp myApp, boolean deletedFinalStateUnknown) {
        logger.info("MyApp deleted: {}", myApp.getMetadata().getName());
        // 在这里可以实现删除 Deployment 的逻辑
    }

    private void createDeployment(MyApp myApp) {
        String name = myApp.getMetadata().getName();
        String namespace = myApp.getMetadata().getNamespace();
        MyAppSpec spec = myApp.getSpec();

        Deployment deployment = new DeploymentBuilder()
                .withNewMetadata()
                .withName(name + "-deployment")
                .withNamespace(namespace)
                .withLabels(myApp.getMetadata().getLabels())
                .endMetadata()
                .withNewSpec()
                .withReplicas(spec.getReplicas())
                .withNewSelector()
                .addToMatchLabels("app", name)
                .endSelector()
                .withNewTemplate()
                .withNewMetadata()
                .withLabels(myApp.getMetadata().getLabels())
                .addToLabels("app", name)
                .endMetadata()
                .withNewSpec()
                .addNewContainer()
                .withName(name + "-container")
                .withImage(spec.getImageName())
                .endContainer()
                .endSpec()
                .endTemplate()
                .endSpec()
                .build();

        client.apps().deployments().inNamespace(namespace).resource(deployment).createOrReplace();
        logger.info("Deployment created for MyApp: {}", name);

        // 更新 MyApp 的 Status
        MyAppStatus status = new MyAppStatus();
        status.setMessage("Deployment created successfully");
        myApp.setStatus(status);
        client.resources(MyApp.class).inNamespace(namespace).resource(myApp).replaceStatus();
        logger.info("MyApp status updated for: {}", name);
    }
}

6. 创建 Operator 主类

创建一个名为 MyAppOperator.java 的文件：

package com.example;

import io.fabric8.kubernetes.client.KubernetesClient;
import io.fabric8.kubernetes.client.KubernetesClientBuilder;
import io.fabric8.kubernetes.client.informers.SharedIndexInformer;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MyAppOperator {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MyAppOperator.class);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        try (KubernetesClient client = new KubernetesClientBuilder().build()) {
            String namespace = client.getNamespace();
            if (namespace == null || namespace.isEmpty()) {
                namespace = "default";
            }

            logger.info("Using namespace: {}", namespace);

            // 创建 Informer
            SharedIndexInformer<MyApp> myAppInformer = client.resources(MyApp.class)
                    .inNamespace(namespace)
                    .inform(0); // 0 表示从头开始同步

            // 创建 Controller
            MyAppController myAppController = new MyAppController(client, myAppInformer);

            // 注册事件处理器
            myAppInformer.addEventHandler(myAppController);

            // 启动 Informer
            ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
            executorService.submit(myAppInformer::run);

            // 等待 Informer 同步完成
            while (!myAppInformer.hasSynced()) {
                Thread.sleep(100);
            }

            logger.info("MyApp Operator started!");

            // 阻塞主线程，防止程序退出
            Thread.currentThread().join();

        } catch (Exception e) {
            logger.error("Error running MyApp Operator", e);
        }
    }
}

7. 编译和运行

使用 Maven 编译项目：

mvn clean install

运行 Operator：

java -cp target/my-operator-1.0-SNAPSHOT.jar com.example.MyAppOperator

8. 部署 CRD

将以下 YAML 保存为 my-app-crd.yaml：

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: myapps.example.com
spec:
  group: example.com
  versions:
    - name: v1
      served: true
      storage: true
      schema:
        openAPIV3Schema:
          type: object
          properties:
            spec:
              type: object
              properties:
                imageName:
                  type: string
                replicas:
                  type: integer
  scope: Namespaced
  names:
    plural: myapps
    singular: myapp
    kind: MyApp
    shortNames:
    - ma

使用 kubectl 部署 CRD：

kubectl apply -f my-app-crd.yaml

9. 创建 CR

将以下 YAML 保存为 my-app.yaml：

apiVersion: example.com/v1
kind: MyApp
metadata:
  name: my-app-instance
spec:
  imageName: nginx:latest
  replicas: 3

使用 kubectl 创建 CR：

kubectl apply -f my-app.yaml

10. 验证

查看 Deployment 是否创建成功：

kubectl get deployments

你应该能看到一个名为 my-app-instance-deployment 的 Deployment。

第三部分：Operator 开发进阶

上面的例子只是一个最简单的入门，实际的 Operator 开发要复杂得多。下面是一些进阶话题：

• 状态管理: Operator 需要维护 CR 的状态，比如应用程序是否部署成功，当前的版本号等等。
• 错误处理: Operator 需要处理各种错误情况，比如部署失败、网络错误等等。
• 并发控制: Operator 需要处理并发请求，防止出现资源冲突。
• 测试: Operator 需要进行充分的测试，确保其稳定性和可靠性。
• 优雅关闭: Operator 需要在关闭前完成清理工作，避免资源泄露。

一些常用的 Operator 开发框架

• Operator SDK: 一个强大的 Operator 开发框架，支持多种编程语言，包括 Golang、Helm 和 Ansible。
• Kopf (Kubernetes Operator Framework): 一个 Python 编写的 Operator 开发框架，简单易用。
• Java Operator SDK: 一个专门为 Java 开发者设计的 Operator 开发框架，基于 Fabric8 Kubernetes Client。

第四部分：总结与展望

Java Kubernetes Operators 开发是一个充满挑战但也充满机遇的领域。通过编写 Operators，你可以将你的专业知识转化为自动化运维能力，提高应用程序的可靠性和效率。

虽然 Java 不是 Kubernetes 的原生语言，但它在 Operator 开发中仍然扮演着重要的角色。随着 Java Operator SDK 的不断发展，Java 开发者可以更加方便地构建和管理 Kubernetes 应用。

希望今天的讲座能帮助你入门 Java Kubernetes Operators 开发。记住，实践才是检验真理的唯一标准，快去动手试试吧！

最后的唠叨：

各位，写 Operator 就像养孩子，一开始可能觉得手忙脚乱，但等你慢慢掌握了技巧，就会发现其中的乐趣。别怕犯错，多查资料，多交流，你也能成为 Kubernetes 的驯兽师！

散会！