K8s 中的优先级与抢占调度机制 - 智猿学院-IT界的百科全书

各位亲爱的Kubernetes爱好者们，大家好！我是你们的老朋友，人称“K8s百晓生”的程序猿老王。今天咱们要聊点高级货，聊聊K8s调度器里的“宫斗剧”——优先级与抢占调度。

想象一下，你是一位皇帝，手下有一群妃子（Pod），每个妃子都想得到你的宠幸（资源）。有的妃子出身高贵（优先级高），有的妃子默默无闻（优先级低）。如果皇帝的寝宫（节点）满了，谁能入住，谁要让位？这就是我们今天的主题：优先级与抢占调度。

一、为什么需要优先级与抢占？

在K8s的世界里，资源是有限的。节点上的CPU、内存、网络带宽等，就像皇宫里的床位，僧多粥少啊！没有优先级，所有Pod一视同仁，那就会出现以下问题：

重要应用得不到保障: 想象一下，核心数据库和临时测试任务争夺资源，结果测试任务占满了CPU，数据库崩溃了，这还得了？
资源利用率低下: 如果所有Pod都平等竞争，可能会出现某些节点负载过高，而另一些节点却闲置的情况。
难以应对紧急情况: 比如，突发流量导致某个服务需要紧急扩容，如果没有优先级，新Pod可能无法及时启动，导致服务雪崩。

所以，我们需要一种机制，能够区分Pod的重要性，让重要的Pod优先获得资源，保障核心应用的稳定运行。这就是优先级与抢占机制的意义所在。

二、什么是优先级（Priority）？

优先级，顾名思义，就是给Pod贴上一个“重要性”的标签。这个标签决定了Pod在调度时的地位。优先级越高，Pod就越容易被调度到节点上。

在K8s中，优先级是通过PriorityClass对象来定义的。PriorityClass包含两个关键字段：

value: 一个整数值，代表优先级的大小。数值越大，优先级越高。
globalDefault: 一个布尔值，表示是否将该优先级作为集群的默认优先级。

apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: critical-priority
value: 1000000
globalDefault: false
description: "This priority class should be used for critical pods only."

这个例子定义了一个名为critical-priority的PriorityClass，其优先级值为1000000，并且不是全局默认优先级。

定义好PriorityClass后，就可以在Pod的spec中指定priorityClassName来使用它了。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: critical-pod
  labels:
    app: critical-app
spec:
  containers:
  - name: critical-container
    image: nginx
  priorityClassName: critical-priority

这个例子中，critical-pod使用了critical-priority这个PriorityClass，因此具有很高的优先级。

优先级就像古代官场上的品级制度，一品大员自然比九品芝麻官更有话语权。 👑

三、什么是抢占（Preemption）？

有了优先级，还不够。如果所有节点都已经被低优先级的Pod占满了，高优先级的Pod怎么办？难道只能眼巴巴地等着？

这时候，抢占就派上用场了。抢占是指，当调度器找不到合适的节点来调度高优先级的Pod时，它可以“驱逐”一个或多个低优先级的Pod，从而释放资源，让高优先级的Pod得以运行。

抢占就像古代战争中的“清场”，为了迎接重要人物，先把无关人等赶走。 ⚔️

抢占的流程大概是这样的：

调度器发现一个高优先级的Pod无法被调度。
调度器开始评估哪些节点上的Pod可以被抢占。
调度器选择一个或多个低优先级的Pod进行驱逐。
被驱逐的Pod进入Pending状态，等待重新调度。
高优先级的Pod被调度到释放了资源的节点上。

四、抢占的注意事项和配置

抢占不是万能的，它也有一些限制和需要注意的地方：

preemptionPolicy: PodSpec 中可以设置 preemptionPolicy 来控制抢占行为。可选值为 PreemptLowerPriority (默认) 和 Never。设置为 Never 时，该 Pod 永远不会抢占其他 Pod，只能等待资源。
terminationGracePeriodSeconds: 被抢占的Pod会收到一个SIGTERM信号，然后优雅地关闭。terminationGracePeriodSeconds定义了Pod关闭的宽限期。如果Pod在宽限期内没有关闭，K8s会强制杀死它。
priorityClassName的选择: 要谨慎选择priorityClassName。如果过度使用高优先级，可能会导致低优先级的Pod永远无法被调度。
PodDisruptionBudget (PDB): PDB可以保护某些Pod不被意外驱逐。PDB可以定义允许同时被驱逐的Pod数量。
节点亲和性和反亲和性: 节点亲和性和反亲和性会影响抢占的决策。调度器会尽量避免驱逐那些与高优先级Pod有亲和性关系的Pod。
容忍度（Tolerations）和污点（Taints）: 如果节点上设置了污点，只有具有相应容忍度的Pod才能被调度到该节点上。抢占也会受到污点和容忍度的影响。

五、抢占的配置示例

假设我们有一个节点，上面运行着一个低优先级的Pod和一个中等优先级的Pod。现在，我们想调度一个高优先级的Pod，并且允许它抢占低优先级的Pod。

首先，定义三个PriorityClass：

apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: low-priority
value: 100
globalDefault: false
---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: medium-priority
value: 500
globalDefault: false
---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: high-priority
value: 1000
globalDefault: false

然后，创建一个低优先级的Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: low-priority-pod
spec:
  containers:
  - name: low-priority-container
    image: nginx
  priorityClassName: low-priority

创建一个中等优先级的Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: medium-priority-pod
spec:
  containers:
  - name: medium-priority-container
    image: nginx
  priorityClassName: medium-priority

最后，创建一个高优先级的Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: high-priority-pod
spec:
  containers:
  - name: high-priority-container
    image: nginx
  priorityClassName: high-priority

当你创建high-priority-pod时，调度器会发现没有足够的资源来调度它。然后，调度器会评估哪些Pod可以被抢占。由于low-priority-pod的优先级最低，它会被驱逐，high-priority-pod会被调度到该节点上。

六、如何监控和调试抢占？

抢占是一个复杂的调度过程，需要进行监控和调试，以便及时发现和解决问题。

查看Pod的事件: 可以使用kubectl describe pod <pod-name>命令查看Pod的事件，了解Pod是否被抢占，以及抢占的原因。
查看调度器的日志: 调度器的日志包含了详细的调度信息，可以帮助你了解抢占的决策过程。
使用Metrics Server和Prometheus: 可以使用Metrics Server和Prometheus等工具来监控集群的资源利用率和Pod的调度情况。
模拟抢占场景: 可以使用kubectl drain命令模拟节点故障，然后观察高优先级Pod是否能够成功抢占资源。

七、优先级与抢占的“葵花宝典”

为了帮助大家更好地理解和应用优先级与抢占机制，我总结了一份“葵花宝典”，供大家参考：

项目	描述	注意事项
`PriorityClass`	定义Pod的优先级。	优先级值越大，优先级越高。
`priorityClassName`	在Pod的`spec`中指定`PriorityClass`。	确保`PriorityClass`已经存在。
抢占（Preemption）	当高优先级的Pod无法被调度时，可以驱逐低优先级的Pod来释放资源。	抢占可能会导致服务中断，需要谨慎使用。
`preemptionPolicy`	控制抢占行为。`PreemptLowerPriority` (默认) 允许抢占， `Never` 禁止抢占。	根据实际需求选择合适的策略。
PDB	保护某些Pod不被意外驱逐。	PDB会限制抢占行为，需要合理配置。
监控与调试	通过查看Pod事件、调度器日志、Metrics Server和Prometheus等工具来监控和调试抢占。	及时发现和解决问题。

八、总结

优先级与抢占是K8s调度器中非常重要的机制，它们可以帮助我们更好地管理和利用集群资源，保障核心应用的稳定运行。

希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解和应用优先级与抢占机制。记住，在K8s的世界里，掌握了优先级与抢占，就掌握了调度的“生杀大权”！

最后，祝大家在K8s的世界里玩得开心！😊

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