玩转 Kubernetes StatefulSet！有状态应用部署不再难

StatefulSet，这个名字听起来就有点“高冷”的 Kubernetes 对象，却在有状态应用部署中扮演着至关重要的角色。 想象一下，你要在 Kubernetes 上部署一个数据库集群，每个节点都需要有稳定的网络标识和持久化存储。 这时候，普通的 Deployment 就显得力不从心了，StatefulSet 才是你的不二之选。 那么，StatefulSet 究竟是什么？ 它的核心概念有哪些？ 又该如何使用它来部署有状态应用呢？ 别着急，本文将带你一步步揭开 StatefulSet 的神秘面纱！

1. StatefulSet 核心概念：告别“无状态”，拥抱“有状态”

与 Deployment 最大的区别在于，StatefulSet 专门为有状态应用而生。 所谓“有状态”，指的是应用需要维护自身的状态信息，例如数据库的数据、配置文件的内容等。 这些状态信息需要持久化存储，并且在应用重启或迁移时能够恢复。 为了实现这一目标，StatefulSet 引入了以下几个核心概念：

• 稳定的网络标识（Stable Network Identity）：每个 Pod 都有一个唯一的、持久不变的域名。 即使 Pod 被重新调度到不同的节点，其域名也不会改变。 这样，应用就可以通过域名来访问特定的 Pod，而不用担心 Pod 的 IP 地址发生变化。
• 稳定的持久化存储（Stable Persistent Storage）：StatefulSet 通过 Volume Claim Template 来为每个 Pod 创建独立的 PersistentVolumeClaim（PVC）。 PVC 会动态地绑定到 PersistentVolume（PV），从而为 Pod 提供持久化存储。 即使 Pod 被删除或重新创建，其 PVC 仍然存在，并且会重新绑定到新的 Pod 上，保证数据的持久性。
• 有序的部署和扩展（Ordered Deployment and Scaling）：StatefulSet 会按照 Pod 的序号（从 0 开始）依次创建 Pod。 例如，如果你指定 replicas=3，那么 StatefulSet 会先创建 Pod-0，然后是 Pod-1，最后是 Pod-2。 同样，在删除 Pod 时，StatefulSet 也会按照相反的顺序依次删除。 这种有序的部署和扩展方式，对于一些对启动顺序有要求的应用（例如数据库集群）非常重要。
• 有序的滚动更新（Ordered Rolling Updates）：在更新 StatefulSet 时，会按照 Pod 序号的逆序依次更新 Pod。 只有当前 Pod 更新完成后，才会开始更新下一个 Pod。 这种有序的滚动更新方式，可以保证在更新过程中，应用始终保持可用状态。

2. Headless Service：StatefulSet 的“好搭档”

Headless Service 是一种特殊的 Service，它不会为 Pod 分配 Cluster IP。 那么，Headless Service 有什么用呢？ 答案是：为 StatefulSet 提供域名解析。 当你创建一个 Headless Service 时，Kubernetes 会为每个 Pod 创建一个 DNS 记录，格式为 <pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local。 这样，你就可以通过域名来访问特定的 Pod，而不用关心 Pod 的 IP 地址。 例如，如果你的 StatefulSet 名为 web，Headless Service 名为 web-service，namespace 为 default，那么 Pod-0 的域名就是 web-0.web-service.default.svc.cluster.local。 Headless Service 和 StatefulSet 简直是天生一对，它们共同为有状态应用提供了稳定的网络标识。 没有 Headless Service，StatefulSet 就无法发挥其全部的威力。

3. Volume Claim Template：动态 Provisioning 的“幕后功臣”

Volume Claim Template 是 StatefulSet 中用于定义 PVC 的模板。 通过 Volume Claim Template，StatefulSet 可以为每个 Pod 动态地创建 PVC，而无需手动创建。 Volume Claim Template 中可以指定存储大小、访问模式、存储类等信息。 当 StatefulSet 创建 Pod 时，会根据 Volume Claim Template 自动创建 PVC，并绑定到合适的 PV 上。 这种动态 Provisioning 的方式，大大简化了有状态应用的存储管理。

4. 实战演练：使用 StatefulSet 部署 MySQL 集群

理论知识讲了一大堆，现在让我们来一个实战演练，看看如何使用 StatefulSet 部署一个 MySQL 集群。 为了简化部署过程，我们使用 Kubernetes 官方提供的 MySQL StatefulSet 示例。

4.1 前提条件

• 一个可用的 Kubernetes 集群 (版本 >= 1.9)
• kubectl 命令行工具
• 默认 StorageClass 已配置 (用于动态 Provisioning)

4.2 部署 MySQL StatefulSet

首先，创建一个名为 mysql.yaml 的文件，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql
---  
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql # has to match .spec.template.metadata.labels
  serviceName: "mysql"
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql # has to match .spec.selector.matchLabels
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 10
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "your_root_password"
        ports:
        - containerPort: 3306
          name: mysql
        volumeMounts:
        - name: mysql-data
          mountPath: /var/lib/mysql
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
          limits:
            cpu: 1
            memory: 2Gi
      initContainers:
      - name: init-mysql
        image: busybox:1.28
        command: ['sh', '-c', "until nslookup mysql.$(cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/namespace).svc.cluster.local; do echo waiting for mysql service; sleep 2; done"]
        volumeMounts:
        - name: mysql-data
          mountPath: /var/lib/mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: mysql-data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 8Gi

这个 YAML 文件定义了一个 Headless Service 和一个 StatefulSet。 Headless Service 名为 mysql，用于为 MySQL 集群提供域名解析。 StatefulSet 名为 mysql，包含 3 个副本，使用 mysql:5.7 镜像。 Volume Claim Template 定义了每个 Pod 的 PVC，请求 8Gi 的存储空间。

接下来，使用 kubectl apply -f mysql.yaml 命令部署 MySQL StatefulSet：

kubectl apply -f mysql.yaml

4.3 验证部署结果

等待一段时间后，使用 kubectl get pods 命令查看 Pod 的状态：

kubectl get pods

你应该看到类似如下的输出：

NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-0   1/1     Running   0          5m
mysql-1   1/1     Running   0          4m
mysql-2   1/1     Running   0          3m

可以看到，3 个 MySQL Pod 已经成功启动。 并且，它们的名称分别为 mysql-0、mysql-1 和 mysql-2，符合 StatefulSet 的命名规则。

使用 kubectl get pvc 命令查看 PVC 的状态：

kubectl get pvc

你应该看到类似如下的输出：

NAME           STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
mysql-data-mysql-0   Bound    pvc-xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx   8Gi        RWO            standard       5m
mysql-data-mysql-1   Bound    pvc-yyyyyyyy-yyyy-yyyy-yyyy-yyyyyyyyyyyy   8Gi        RWO            standard       4m
mysql-data-mysql-2   Bound    pvc-zzzzzzzz-zzzz-zzzz-zzzz-zzzzzzzzzzzz   8Gi        RWO            standard       3m

可以看到，每个 Pod 都有一个对应的 PVC，并且已经绑定到 PV 上。 这说明 StatefulSet 成功地为每个 Pod 动态地 Provisioning 了存储。

4.4 连接 MySQL 集群

你可以使用 MySQL 客户端连接到 MySQL 集群。 由于我们使用了 Headless Service，所以可以通过 Pod 的域名来访问特定的 Pod。 例如，要连接到 mysql-0 Pod，可以使用如下命令：

mysql -h mysql-0.mysql.default.svc.cluster.local -u root -p

输入你在 YAML 文件中设置的 MySQL root 密码，就可以成功连接到 MySQL 集群了。

5. StatefulSet 使用场景：总有一款适合你

StatefulSet 适用于各种需要维护状态信息的应用，例如：

• 数据库集群：MySQL、PostgreSQL、MongoDB 等数据库集群，需要保证数据的持久性和一致性。
• 消息队列：Kafka、RabbitMQ 等消息队列，需要保证消息的可靠传递。
• 分布式存储：Ceph、GlusterFS 等分布式存储系统，需要保证数据的冗余和可用性。
• Key-Value 存储：Redis、Memcached 等 Key-Value 存储，需要保证数据的快速读写。
• 其他有状态应用：任何需要维护状态信息，并且对启动顺序、网络标识、存储有要求的应用。

6. StatefulSet 注意事项：避开“坑”，一路畅通

在使用 StatefulSet 时，需要注意以下几点：

• 存储 Provisioning：确保你的 Kubernetes 集群配置了默认的 StorageClass，或者手动创建 PersistentVolume。 否则，StatefulSet 无法动态地 Provisioning 存储。
• Headless Service：StatefulSet 必须与 Headless Service 配合使用，才能提供稳定的网络标识。
• Pod Management Policy：StatefulSet 默认使用 OrderedReady Pod Management Policy，这意味着 Pod 会按照序号依次创建和更新。 你也可以将其设置为 Parallel，但这可能会导致一些问题，例如数据不一致。
• 删除策略：删除 StatefulSet 时，不会自动删除 PVC 和 PV。 如果你需要删除 PVC 和 PV，需要手动删除。
• 升级策略：StatefulSet 提供了多种升级策略，包括 RollingUpdate 和 OnDelete。 建议使用 RollingUpdate 策略，以保证在升级过程中，应用始终保持可用状态。

7. 总结：掌握 StatefulSet，玩转有状态应用

StatefulSet 是 Kubernetes 中一个非常强大的对象，它可以帮助你轻松地部署和管理有状态应用。 通过本文的讲解，相信你已经对 StatefulSet 的核心概念、使用方法、适用场景和注意事项有了深入的了解。 掌握 StatefulSet，你就可以在 Kubernetes 上自由地部署各种有状态应用，而不用担心数据丢失、网络不稳定等问题。

现在，就开始你的 StatefulSet 之旅吧！ 祝你玩得开心！