垃圾收集 | Jimmy Song

垃圾收集机制是 Kubernetes 资源生命周期管理的核心保障，合理配置可有效防止资源泄漏与孤儿对象堆积。

Kubernetes 垃圾收集器（Garbage Collector）是集群中的重要组件，负责清理失去所有者关系的孤儿对象。掌握垃圾收集机制对于高效管理 Kubernetes 资源、避免资源泄漏至关重要。

Owner 和 Dependent 对象关系

在 Kubernetes 中，对象之间存在所有权关系。理解 Owner（所有者）与 Dependent（被拥有者）对象的关系，是掌握垃圾收集机制的基础。

Owner 对象	Dependent 对象
Deployment	ReplicaSet
ReplicaSet	Pod
Service	Endpoints
Job	Pod
StatefulSet	Pod

表 1: 常见 Owner 与 Dependent 对象关系

每个 Dependent 对象都有一个 metadata.ownerReferences 字段，指向其 Owner 对象。

ownerReference 字段结构

ownerReference 字段用于描述当前对象与其所有者（Owner）之间的关系。通过设置 ownerReference，Kubernetes 能够自动识别对象的归属关系，并在 Owner 被删除时，根据级联删除策略自动处理 Dependent 对象。这一机制极大地方便了资源的自动化管理和清理，避免了资源孤儿化和集群资源泄漏的问题。

常见场景包括 ReplicaSet 管理的 Pod、Deployment 管理的 ReplicaSet 等。理解和正确使用 ownerReference，是掌握 Kubernetes 资源生命周期管理的关键。

ownerReferences:
- apiVersion: apps/v1
  kind: ReplicaSet
  name: my-repset
  uid: d9607e19-f88f-11e6-a518-42010a800195
  controller: true
  blockOwnerDeletion: true

字段说明：

apiVersion：Owner 对象的 API 版本
kind：Owner 对象的类型
name：Owner 对象的名称
uid：Owner 对象的唯一标识符
controller：是否为控制器管理的对象
blockOwnerDeletion：是否阻止 Owner 对象删除

自动设置 ownerReference

Kubernetes 在以下场景自动设置 ownerReference：

控制器管理的对象（如 ReplicaSet、Deployment、StatefulSet、DaemonSet、Job、CronJob）
服务发现相关（如 Service 创建的 Endpoints、Ingress 相关资源）
存储相关（如 PersistentVolumeClaim 和 PersistentVolume 的关系）

实践示例

以下示例展示如何通过 ReplicaSet 观察 ownerReference 的设置。

# my-repset.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: my-repset
  namespace: default
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: gc-demo
  template:
    metadata:
      labels:
        app: gc-demo
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.25
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"

部署并查看 ownerReference：

# 创建 ReplicaSet
kubectl apply -f my-repset.yaml

# 查看 Pod 的 ownerReference
kubectl get pods -l app=gc-demo -o yaml | grep -A 8 ownerReferences

# 查看详细信息
kubectl describe pod <pod-name>

级联删除策略

删除 Owner 对象时，可以通过不同的级联删除策略控制 Dependent 对象的处理方式。常见策略包括 Background、Foreground 和 Orphan。

Background 级联删除

默认策略，适用于大多数场景。

执行流程：
1. 立即删除 Owner 对象
2. 垃圾收集器在后台异步删除 Dependent 对象
3. Owner 对象从 API 服务器中立即移除
优势：删除速度快，不阻塞操作
适用场景：日常资源清理、快速释放资源

Foreground 级联删除

顺序删除，确保完全清理。

执行流程：
1. Owner 对象进入"删除中"状态
2. 设置 deletionTimestamp 字段
3. 添加 foregroundDeletion finalizer
4. 等待所有 Dependent 对象删除完成
5. 最后删除 Owner 对象
特点：
- Owner 对象在删除过程中仍可通过 API 访问
- 确保子资源完全清理
- 删除时间较长
适用场景：需要确保完全清理的关键资源

Orphan 策略

孤儿模式，保留子资源。

执行流程：
1. 删除 Owner 对象
2. 清空 Dependent 对象的 ownerReferences 字段
3. Dependent 对象成为孤儿，继续存在
适用场景：
- 需要保留子资源的场景
- 资源迁移和重构
- 手动管理子资源

删除策略实际操作

Kubernetes 支持通过命令行、YAML 文件和 API 方式控制删除策略。以下分别介绍具体操作方法。

使用 kubectl 命令

# 默认级联删除（Background 模式）
kubectl delete replicaset my-repset

# 显式指定 Background 模式
kubectl delete replicaset my-repset --cascade=background

# Foreground 模式
kubectl delete replicaset my-repset --cascade=foreground

# Orphan 模式
kubectl delete replicaset my-repset --cascade=orphan

使用 YAML 文件控制

# delete-options.yaml
apiVersion: v1
kind: DeleteOptions
propagationPolicy: Foreground

kubectl delete -f my-repset.yaml --delete-options=./delete-options.yaml

使用 API 直接控制

# 启动代理
kubectl proxy --port=8080 &

# Background 删除
curl -X DELETE localhost:8080/apis/apps/v1/namespaces/default/replicasets/my-repset \
  -d '{"kind":"DeleteOptions","apiVersion":"v1","propagationPolicy":"Background"}' \
  -H "Content-Type: application/json"

# Foreground 删除
curl -X DELETE localhost:8080/apis/apps/v1/namespaces/default/replicasets/my-repset \
  -d '{"kind":"DeleteOptions","apiVersion":"v1","propagationPolicy":"Foreground"}' \
  -H "Content-Type: application/json"

# Orphan 删除
curl -X DELETE localhost:8080/apis/apps/v1/namespaces/default/replicasets/my-repset \
  -d '{"kind":"DeleteOptions","apiVersion":"v1","propagationPolicy":"Orphan"}' \
  -H "Content-Type: application/json"

高级特性

Kubernetes 垃圾收集机制还支持 blockOwnerDeletion 和 Finalizers 等高级特性，进一步提升资源管理的安全性和灵活性。

blockOwnerDeletion 机制

blockOwnerDeletion 字段控制是否阻止 Owner 对象的删除，仅在 Foreground 删除模式下生效。

ownerReferences:
- apiVersion: apps/v1
  kind: ReplicaSet
  name: my-repset
  uid: d9607e19-f88f-11e6-a518-42010a800195
  controller: true
  blockOwnerDeletion: true  # 阻止 Owner 删除

生效条件：仅在 Foreground 删除模式下生效
自动设置：Kubernetes 自动为控制器管理的对象设置
权限控制：需要相应的 RBAC 权限

Finalizers 与垃圾收集

Finalizers 是防止对象被删除的机制，常用于资源保护和自定义清理逻辑。

metadata:
  finalizers:
  - kubernetes.io/pv-protection
  - custom-finalizer

查看和管理 finalizers：

# 查看对象的 finalizers
kubectl get pv <pv-name> -o yaml | grep -A 5 finalizers

# 移除 finalizer（谨慎操作）
kubectl patch pv <pv-name> -p '{"metadata":{"finalizers":null}}'

最佳实践

为保障集群资源的健康与安全，建议遵循以下最佳实践。

选择合适的删除策略

日常运维：使用 Background 删除（默认）
生产环境清理：使用 Foreground 删除确保完全清理
资源迁移：使用 Orphan 删除保留子资源
紧急情况：使用 Background 删除快速释放资源

监控和观察

通过以下命令监控垃圾收集器状态和对象删除情况。

# 监控垃圾收集器状态
kubectl get events --field-selector reason=SuccessfulDelete

# 查看孤儿对象
kubectl get pods --all-namespaces -o custom-columns=NAME:.metadata.name,NAMESPACE:.metadata.namespace,OWNER:.metadata.ownerReferences[0].name

# 检查长时间未删除的对象
kubectl get all --show-labels | grep deletionTimestamp

权限配置

确保垃圾收集器有足够权限，避免因权限不足导致资源无法自动清理。

# gc-rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: system:gc-controller
rules:
- apiGroups: ["*"]
  resources: ["*"]
  verbs: ["list", "watch", "delete"]

性能优化

批量删除：使用标签选择器批量删除相关对象
定期清理：定期清理孤儿对象和无用资源
监控指标：监控垃圾收集器的性能指标

故障排查

垃圾收集过程中可能遇到对象无法删除、删除时间过长、孤儿对象累积等问题。以下为常见问题及解决方法。

常见问题及解决方案

对象无法删除

# 检查 finalizers
kubectl get <resource> <name> -o yaml | grep -A 5 finalizers

# 检查 blockOwnerDeletion
kubectl get <resource> <name> -o yaml | grep -A 10 ownerReferences

删除时间过长

# 查看删除进度
kubectl get events --field-selector involvedObject.name=<name>

# 检查 Dependent 对象状态
kubectl get all -l <label-selector>

孤儿对象累积

# 查找孤儿对象
kubectl get pods -o json | jq '.items[] | select(.metadata.ownerReferences == null)'

# 清理孤儿对象
kubectl delete pods -l <label-selector> --cascade=orphan

调试工具

通过以下命令辅助调试垃圾收集相关问题。

# 查看垃圾收集器日志
kubectl logs -n kube-system kube-controller-manager-<node-name> | grep garbage

# 查看对象删除历史
kubectl get events --sort-by='.lastTimestamp' | grep Delete

# 检查对象依赖关系
kubectl get <resource> <name> -o yaml | yq '.metadata.ownerReferences'

总结

Kubernetes 垃圾收集机制通过 Owner/Dependent 关系和多种级联删除策略，实现了资源的自动化清理和生命周期管理。合理配置和监控垃圾收集，有助于防止资源泄漏、提升集群稳定性，是高效运维 Kubernetes 集群的必备技能。

发布于: 2022/05/21 • 最后更新: 2025/10/30 • 字数: 2263 • 阅读时间: 5 mins