K8s 控制器管理器：维持集群期望状态的幕后英雄

K8s 控制器管理器：维持集群期望状态的幕后英雄 (一场深入浅出的技术解说)

大家好！👋 欢迎来到今天的“云原生魔法课堂”！我是你们的魔法师（或者说，程序员）导师，今天我们要一起揭开 Kubernetes (K8s) 集群里一个神秘而又重要的角色——控制器管理器 (Controller Manager) 的面纱。

想象一下，你是一位国王，拥有一个庞大的王国 (K8s 集群)。你颁布法令 (定义 YAML 文件)，希望王国按照你的设想运行：比如，建造10个粮仓 (ReplicaSet)，确保每个粮仓有3个守卫 (Pods)，并且每个守卫都配备一把锋利的宝剑 (Container image)。

但是，国王自己不可能亲自去建造粮仓、招募守卫，甚至还要确保宝剑的锋利。他需要一个忠诚且高效的管家，时刻关注着王国的情况，确保一切都按照国王的法令执行。这个管家，就是我们今天的主角——K8s 控制器管理器！

1. 什么是控制器管理器？——王国的总管家

简单来说，K8s 控制器管理器就是一个守护进程，它负责运行一系列的控制器 (Controllers)。这些控制器就像是国王手下的各个部门主管，各自负责不同的事务。

控制器管理器的核心职责：

维持集群的期望状态： 它不断地观察集群的实际状态，并将其与我们定义的期望状态进行比较。如果发现不一致，它就会采取行动，将实际状态调整到期望状态。这就像管家时刻巡视王国，发现粮仓数量不足，立刻下令建造；发现守卫人数不够，立刻招募新兵。
自动化运维任务： 很多手动操作都可以通过控制器自动化完成，例如自动扩缩容、滚动更新、服务发现等等。这就像管家可以自动安排农夫播种，铁匠打造兵器，无需国王事事操心。

为什么需要控制器管理器？

如果没有控制器管理器，我们就需要手动地去创建和管理各种 K8s 资源。想象一下，如果每次 Pod 崩溃，你都要手动重启它，那简直是噩梦！😱

控制器管理器就像一个永不疲倦的机器人，默默地守护着我们的集群，确保它始终保持健康稳定。

控制器管理器与 Kube-apiserver 的关系：

控制器管理器不是孤军奋战的。它需要与 Kube-apiserver 密切合作。你可以把 Kube-apiserver 看作是王国的中央情报局，负责接收国王的法令 (API 请求)，并将王国的实际情况 (集群状态) 汇报给国王。

控制器管理器通过 Kube-apiserver 获取集群状态信息，并根据这些信息做出决策。它还会通过 Kube-apiserver 将自己的操作指令发送给集群。

用一句话概括： Kube-apiserver 负责“看”和“说”，控制器管理器负责“想”和“做”。

2. 控制器家族：各司其职的部门主管

控制器管理器并不是一个单一的个体，它是由多个控制器组成的。每个控制器都负责管理一种特定的 K8s 资源。

常见的控制器家族成员：

控制器名称	负责管理的资源	主要功能	例子
Replication Controller	ReplicaSet (RS)	确保指定数量的 Pods 副本始终在运行。如果 Pod 崩溃或被删除，它会自动创建新的 Pod。	你定义了一个 ReplicaSet，指定需要运行 3 个 nginx 实例。如果其中一个 nginx 实例崩溃了，Replication Controller 会自动创建一个新的 nginx 实例，确保始终有 3 个 nginx 实例在运行。
Node Controller	Node	负责管理 Node 节点的生命周期。当 Node 节点不可用时，它会将其从集群中移除。当 Node 节点恢复正常时，它会将其重新添加到集群中。	如果一个 Node 节点发生故障，Node Controller 会将其标记为 “NotReady”，并通知其他控制器不要在该节点上调度新的 Pod。当该节点恢复正常后，Node Controller 会将其标记为 “Ready”，并允许其他控制器在该节点上调度新的 Pod。
Service Controller	Service	负责创建和维护 LoadBalancer。当创建一个 Service 类型为 LoadBalancer 时，Service Controller 会自动在云平台上创建一个 LoadBalancer，并将 Service 的流量转发到后端的 Pod。	你创建了一个 Service 类型为 LoadBalancer，用于暴露你的应用程序。Service Controller 会自动在云平台上创建一个 LoadBalancer，并将 Service 的流量转发到后端的 Pod。这样，用户就可以通过 LoadBalancer 的 IP 地址访问你的应用程序。
Volume Controller	PersistentVolumeClaim	负责动态 Provisioning Volume。当创建一个 PersistentVolumeClaim 时，Volume Controller 会自动创建一个 PersistentVolume，并将其绑定到 PersistentVolumeClaim。	你创建了一个 PersistentVolumeClaim，用于请求 10GB 的存储空间。Volume Controller 会自动创建一个 PersistentVolume，并将其绑定到 PersistentVolumeClaim。这样，你的 Pod 就可以使用这个 PersistentVolume 来存储数据。
Namespace Controller	Namespace	负责管理 Namespace 的生命周期。当创建一个 Namespace 时，它会为该 Namespace 创建默认的资源配额和网络策略。当删除一个 Namespace 时，它会删除该 Namespace 下的所有资源。	你创建了一个名为 "dev" 的 Namespace，用于开发环境。Namespace Controller 会为该 Namespace 创建默认的资源配额和网络策略。这样，你的开发团队就可以在该 Namespace 下创建和管理自己的应用程序，而不会影响其他团队的应用程序。
Endpoint Controller	Endpoint	负责维护 Endpoint 对象。Endpoint 对象记录了 Service 对应的 Pod 的 IP 地址和端口号。Endpoint Controller 会定期检查 Service 对应的 Pod 的状态，并更新 Endpoint 对象。	你创建了一个 Service，用于暴露你的应用程序。Endpoint Controller 会定期检查 Service 对应的 Pod 的状态，并更新 Endpoint 对象。这样，Kube-proxy 就可以根据 Endpoint 对象将流量转发到正确的 Pod。
Service Account Controller	ServiceAccount	负责创建默认的 ServiceAccount。当创建一个 Namespace 时，Service Account Controller 会在该 Namespace 下创建一个名为 "default" 的 ServiceAccount。Pod 可以使用 ServiceAccount 来访问 Kube-apiserver。	你创建了一个 Namespace，用于部署你的应用程序。Service Account Controller 会在该 Namespace 下创建一个名为 "default" 的 ServiceAccount。你的 Pod 可以使用这个 ServiceAccount 来访问 Kube-apiserver，例如获取 ConfigMap 或 Secret 的信息。
Deployment Controller	Deployment	负责管理 Deployment 的生命周期。Deployment Controller 可以实现滚动更新、回滚等功能。它通过创建和更新 ReplicaSet 来管理 Pod 的副本数量。	你创建了一个 Deployment，用于部署你的应用程序。Deployment Controller 可以实现滚动更新，例如将应用程序从 v1 版本升级到 v2 版本。它会逐步创建新的 v2 版本的 Pod，并逐步删除旧的 v1 版本的 Pod，最终将所有 Pod 都升级到 v2 版本。
Job Controller	Job	负责管理 Job 的生命周期。Job 用于运行一次性的任务。Job Controller 会创建一个或多个 Pod 来执行任务，并在任务完成后删除 Pod。	你创建了一个 Job，用于备份数据库。Job Controller 会创建一个 Pod 来执行备份任务，并在任务完成后删除 Pod。
DaemonSet Controller	DaemonSet	确保每个 Node 节点上都运行一个 Pod 副本。DaemonSet 通常用于部署集群级别的守护进程，例如日志收集器或监控代理。	你创建了一个 DaemonSet，用于在每个 Node 节点上部署一个 Fluentd 日志收集器。DaemonSet Controller 会确保每个 Node 节点上都运行一个 Fluentd Pod，并将该 Pod 配置为收集该节点上的日志。

每个控制器的工作模式：

每个控制器都遵循一个通用的模式：

Watch: 监听它所负责的资源的事件，例如创建、更新、删除等。
Sync: 当监听到事件时，它会获取该资源的最新状态，并将其与期望状态进行比较。
Act: 如果实际状态与期望状态不一致，它就会采取行动，例如创建、更新、删除资源，以使实际状态与期望状态保持一致。

这就像管家时刻关注着王国的情况，如果发现国王的法令没有得到执行，他就会采取行动，确保一切都按照国王的意愿进行。

3. 控制器管理器的工作原理：一个循环往复的魔法

让我们用一个简化的流程图来描述控制器管理器的工作原理：

graph LR
    A[初始状态] --> B(Watch: 监听资源事件)
    B --> C{事件发生?}
    C -- 是 --> D(Sync: 获取资源状态并与期望状态比较)
    C -- 否 --> B
    D --> E{实际状态 == 期望状态?}
    E -- 是 --> B
    E -- 否 --> F(Act: 执行操作以调整状态)
    F --> B

解释：

Watch (监听)： 控制器管理器启动后，每个控制器就开始监听它所负责的资源的事件。例如，Replication Controller 监听 ReplicaSet 和 Pod 的事件。
Sync (同步)： 当监听到事件时，控制器会进入同步循环。它会获取该资源的最新状态，并将其与期望状态进行比较。例如，Replication Controller 会获取 ReplicaSet 的期望副本数和当前运行的 Pod 数量。
Act (行动)： 如果实际状态与期望状态不一致，控制器就会采取行动。例如，如果 ReplicaSet 的期望副本数是 3，但当前只有 2 个 Pod 在运行，Replication Controller 就会创建一个新的 Pod。

这个循环会不断地重复，确保集群的实际状态始终与期望状态保持一致。

举个例子：ReplicaSet 控制器

假设我们定义了一个 ReplicaSet，指定需要运行 3 个 nginx 实例。

初始状态： 集群中没有任何 nginx 实例。
Watch： ReplicaSet 控制器监听 ReplicaSet 和 Pod 的事件。
Sync： ReplicaSet 控制器发现 ReplicaSet 的期望副本数是 3，但当前运行的 Pod 数量是 0。
Act： ReplicaSet 控制器创建 3 个 nginx Pod。
后续： 如果其中一个 nginx Pod 崩溃了，ReplicaSet 控制器会再次进入同步循环，发现实际 Pod 数量是 2，期望 Pod 数量是 3，于是它会创建一个新的 nginx Pod。

就这样，ReplicaSet 控制器始终确保集群中运行着 3 个 nginx 实例。

4. 深入源码：窥探控制器的内心世界 (简化版)

虽然我们不会在这里深入研究 K8s 的源代码 (那需要一整天的课程！)，但我们可以用伪代码来简单展示一个控制器的内部逻辑：

class Controller:
    def __init__(self, kube_client, resource_name):
        self.kube_client = kube_client
        self.resource_name = resource_name

    def run(self):
        while True:
            # 1. Watch: 监听资源事件
            events = self.kube_client.watch(self.resource_name)

            for event in events:
                # 2. Sync: 获取资源状态并与期望状态比较
                resource = event['object']
                desired_state = resource['spec']
                actual_state = self.get_actual_state(resource)

                # 3. Act: 执行操作以调整状态
                if actual_state != desired_state:
                    self.reconcile(resource, desired_state, actual_state)

            # 休息一下，避免过度占用资源
            time.sleep(1)

    def get_actual_state(self, resource):
        # 获取资源的实际状态 (例如，当前运行的 Pod 数量)
        pass

    def reconcile(self, resource, desired_state, actual_state):
        # 调整资源状态，使其与期望状态一致 (例如，创建或删除 Pod)
        pass

# 示例: Replication Controller
class ReplicationController(Controller):
    def __init__(self, kube_client):
        super().__init__(kube_client, 'replicasets')

    def get_actual_state(self, replicaset):
        # 获取当前运行的 Pod 数量
        selector = replicaset['spec']['selector']['matchLabels']
        pods = self.kube_client.list_pods(selector)
        return len(pods)

    def reconcile(self, replicaset, desired_replicas, actual_replicas):
        # 创建或删除 Pod，以达到期望的副本数
        if actual_replicas < desired_replicas:
            # 创建 Pod
            for i in range(desired_replicas - actual_replicas):
                self.kube_client.create_pod(replicaset['spec']['template'])
        elif actual_replicas > desired_replicas:
            # 删除 Pod
            for i in range(actual_replicas - desired_replicas):
                # 选择一个 Pod 删除
                pod = self.select_pod_to_delete(replicaset)
                self.kube_client.delete_pod(pod['metadata']['name'])

解释：

Controller 类是一个抽象基类，定义了控制器的通用逻辑。
ReplicationController 类继承了 Controller 类，并实现了 get_actual_state 和 reconcile 方法，用于管理 ReplicaSet。
run 方法是控制器的核心逻辑，它不断地监听资源事件，获取资源状态，并执行操作以调整状态。

请注意，这只是一个简化的示例，真正的 K8s 控制器代码要复杂得多。

5. 自定义控制器：创造属于你的魔法棒

K8s 的强大之处在于它的可扩展性。你可以编写自己的自定义控制器，来管理任何你想要的资源。

为什么要编写自定义控制器？

管理 K8s 默认不支持的资源： 例如，你可以编写一个控制器来管理数据库集群，或者管理自定义的网络设备。
实现特定的业务逻辑： 例如，你可以编写一个控制器来自动备份数据库，或者自动部署应用程序。

如何编写自定义控制器？

编写自定义控制器通常需要以下步骤：

定义 CRD (Custom Resource Definition)： CRD 用于定义新的 K8s 资源类型。
编写控制器代码： 控制器代码负责监听 CRD 资源事件，并执行相应的操作。
部署控制器： 将控制器部署到 K8s 集群中。

常用的自定义控制器框架：

Kubebuilder: Kubebuilder 是一个用于快速构建 K8s 控制器的框架。它提供了一系列工具和库，可以帮助你简化控制器开发过程。
Operator SDK: Operator SDK 是一个用于构建 Kubernetes Operators 的框架。Operators 是一种特殊的控制器，它可以自动化复杂的应用程序管理任务。

编写自定义控制器是一项高级技能，需要对 K8s 的内部机制有深入的了解。但是，一旦掌握了这项技能，你就可以创造出属于你的魔法棒，让 K8s 更好地服务于你的业务。

6. 总结：掌控集群命运的幕后英雄

今天我们一起探索了 K8s 控制器管理器的神秘世界。希望通过今天的学习，你对控制器管理器有了更深入的了解。

关键要点：

控制器管理器是 K8s 集群的核心组件，负责运行一系列的控制器。
控制器负责维持集群的期望状态，自动化运维任务。
每个控制器都遵循一个通用的模式：Watch -> Sync -> Act。
你可以编写自己的自定义控制器，来管理任何你想要的资源。

控制器管理器就像一位默默无闻的英雄，它在后台默默地工作，确保我们的 K8s 集群始终保持健康稳定。下次当你部署一个应用程序时，请不要忘记感谢这位幕后英雄！

未来展望：

随着云原生技术的不断发展，控制器管理器也在不断进化。未来，我们可以期待控制器管理器能够更加智能化、自动化，更好地满足我们的需求。

最后，送给大家一句名言：

"伟大的力量，伴随着伟大的责任。" —— 《蜘蛛侠》

希望大家在使用 K8s 的过程中，不仅要享受它的强大功能，也要承担起维护集群的责任。

感谢大家的聆听！希望今天的课程对你有所帮助。我们下次再见！ 🚀