Kubernetes 中的工作负载管理
本文系统梳理了 Kubernetes 工作负载管理的核心概念、主要控制器、生命周期管理与最佳实践，帮助读者理解如何高效部署和维护集群中的应用工作负载。
核心概念
Kubernetes 工作负载管理的核心是 Pod——Kubernetes 中最小的可部署单元。但实际生产中，Pod 通常由更高层级的控制器管理，这些控制器提供了扩缩容、滚动更新、自愈等能力。
Pod：基础单元
Pod 是由一个或多个容器组成的组，容器间共享存储和网络资源。Pod 是所有工作负载的基础构建块。
工作负载资源层级
Kubernetes 提供多种控制器管理 Pod，适用于不同类型的工作负载。
Deployment 控制器
Deployment 提供 Pod 和 ReplicaSet 的声明式更新。用户定义期望状态，Deployment 控制器以受控速率将实际状态调整为期望状态。
Deployment 基础
Deployment 管理 ReplicaSet，ReplicaSet 再管理 Pod。这种所有权链条支持滚动更新和回滚等高级特性。
滚动更新流程
滚动更新时，Deployment 创建新 ReplicaSet 并逐步扩容，同时缩减旧 ReplicaSet，确保应用高可用。
StatefulSet 控制器
StatefulSet 适用于需要以下特性的应用：
- 稳定、唯一的网络标识
- 稳定的持久化存储
- 有序、优雅的部署与扩缩容
- 有序、自动的滚动更新
StatefulSet 结构
与 Deployment 不同，StatefulSet 为每个 Pod 保持粘性标识，提供稳定主机名和持久卷，Pod 重调度后依然保持数据和身份。
StatefulSet 与 Deployment 对比
| 特性 | StatefulSet | Deployment |
|---|---|---|
| Pod 标识 | 稳定、有序（web-0, web-1） | 随机、临时 |
| 存储 | 稳定持久存储 | 临时或共享 |
| 扩缩容 | 有序、一次一个 | 可同时扩缩多个 Pod |
| 更新 | 有序、受控 | 可同时更新多个 Pod |
| 典型场景 | 有状态应用（数据库等） | 无状态应用 |
Job 与 CronJob 控制器
Job 和 CronJob 创建会运行至完成的 Pod，而非长期运行。
Job 类型与模式
Job 可配置为不同模式：
CronJob 定时调度
CronJob 按时间表创建 Job，类似于 Unix 的 cron 工具。
DaemonSet 控制器
DaemonSet 确保所有（或部分）节点上都运行一份 Pod。节点加入集群时自动添加 Pod，节点移除时自动清理。
DaemonSet 典型场景
DaemonSet 常用于：
- 集群存储守护进程
- 节点日志收集守护进程
- 节点监控守护进程
ReplicaSet 控制器
ReplicaSet 用于维持指定数量的 Pod 副本，保证应用高可用。通常由 Deployment 管理，实现滚动更新和回滚。
ReplicaSet 与 Deployment 关系
工作负载生命周期管理
高效的工作负载管理需理解 Pod 生命周期、健康检查与中断管理。
Pod 生命周期
Pod 遵循明确的生命周期，从创建到终止经历多个阶段。
容器探针
Kubernetes 提供多种探针检测容器健康：
| 探针类型 | 作用 | 失败时动作 |
|---|---|---|
| Liveness Probe | 检测容器是否存活 | 重启容器 |
| Readiness Probe | 检测容器是否可对外服务 | 从服务端点移除 |
| Startup Probe | 检测应用是否已启动 | 延迟存活/就绪检查 |
水平 Pod 自动扩缩容
Horizontal Pod Autoscaler（HPA）可根据 CPU 或自定义指标自动扩缩 Deployment、ReplicaSet 或 StatefulSet 的 Pod 数量。
高级工作负载模式
Init 容器与 Sidecar 容器
Init 容器在主容器启动前依次运行并完成。Sidecar 容器与主容器并行运行，提供辅助功能。
Pod 中断管理
Pod Disruption Budget（PDB）限制应用可同时中断的 Pod 数，保障高可用。
最佳实践
资源管理
始终为容器指定资源请求与限制，确保合理调度，防止资源争用。
高可用配置
对于关键工作负载，建议：
- 使用多副本 Deployment
- 配置 Pod Disruption Budget
- 配置 Liveness/Readiness 探针
- 使用 Pod 反亲和性分布副本
- 跨可用区部署实现地理冗余
扩缩容策略
| 扩缩容类型 | 控制器 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 水平扩缩容 | HorizontalPodAutoscaler | 无状态应用、负载波动 |
| 垂直扩缩容 | VerticalPodAutoscaler | 不能水平扩展的应用 |
| 集群扩缩容 | Cluster Autoscaler | 整体集群容量自动管理 |
Pod 生命周期管理
- 配置合适的启动、存活、就绪探针
- 设置 terminationGracePeriodSeconds 实现优雅关闭
- 应用需正确处理终止信号
- 使用 Init 容器处理依赖与启动需求
- 利用 preStop 钩子做清理操作
工作负载控制器选择指南
根据应用需求选择合适的控制器：
该流程图有助于根据实际需求选择最合适的工作负载控制器。
总结
Kubernetes 工作负载管理体系为应用的部署、扩缩容、高可用和生命周期管理提供了强大支撑。理解各类控制器的适用场景与特性，合理配置探针、资源和中断预算，是保障集群稳定与业务连续性的关键。通过最佳实践，用户可实现高效、自动化的工作负载运维管理。