StatefulSet
StatefulSet 是 Kubernetes 中专门用于管理有状态应用的控制器。与 Deployment 和 ReplicaSet 为无状态服务设计不同，StatefulSet 为 Pod 提供唯一标识，并保证部署和扩缩容的有序性。
应用场景
StatefulSet 主要解决有状态服务的问题，其典型应用场景包括：
- 稳定的持久化存储：Pod 重新调度后仍能访问相同的持久化数据，基于 PVC 实现
- 稳定的网络标识：Pod 重新调度后 PodName 和 HostName 保持不变，基于 Headless Service 实现
- 有序部署和扩展：Pod 按照定义的顺序依次部署（从 0 到 N-1），下一个 Pod 运行前所有之前的 Pod 必须处于 Running 和 Ready 状态
- 有序收缩和删除：按照从 N-1 到 0 的顺序进行
- 有序滚动更新：支持分段更新和金丝雀发布
核心组件
StatefulSet 由以下几个关键部分组成：
- Headless Service：用于定义网络标识的 DNS 域
- volumeClaimTemplates：用于创建 PersistentVolumes 的模板
- StatefulSet 规约：定义具体应用的配置
DNS 命名规则
StatefulSet 中每个 Pod 的 DNS 格式为：
<statefulSetName>-<ordinal>.<serviceName>.<namespace>.svc.cluster.local
其中：
statefulSetName：StatefulSet 的名称ordinal：Pod 的序号（从 0 开始）serviceName：Headless Service 的名称namespace：所在的命名空间cluster.local：集群域名
适用条件
StatefulSet 适用于具有以下一个或多个需求的应用：
- 稳定且唯一的网络标识
- 稳定的持久化存储
- 有序的部署和扩缩容
- 有序的删除和终止
- 有序的自动滚动更新
如果应用不需要稳定的标识符或有序部署，建议使用 Deployment 或 ReplicaSet。
使用限制
- 给定 Pod 的存储必须由 PersistentVolume Provisioner 根据 storage class 配置，或由管理员预先配置
- 删除或缩容 StatefulSet 不会删除相关联的存储卷，需要手动清理
- StatefulSet 需要 Headless Service 来管理 Pod 的网络身份
- 不建议将
pod.Spec.TerminationGracePeriodSeconds设置为 0，这样做不安全
基础示例
以下是一个简单的 nginx StatefulSet 示例：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: "nginx"
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
terminationGracePeriodSeconds: 10
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.20
ports:
- containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
storageClassName: "fast-ssd"
resources:
requests:
storage: 1Gi
Pod 身份管理
序数标识
对于有 N 个副本的 StatefulSet，每个副本都有一个唯一的整数序数，范围在 [0,N) 之间。
稳定的网络标识
每个 Pod 的主机名遵循 $(statefulset 名称)-$(序数) 的模式。上述示例将创建名为 web-0、web-1、web-2 的 Pod。
DNS 解析示例：
| 集群域 | Service | StatefulSet | Pod DNS | Pod 主机名 |
|---|---|---|---|---|
| cluster.local | default/nginx | default/web | web-{0..N-1}.nginx.default.svc.cluster.local | web-{0..N-1} |
稳定存储
Kubernetes 会为每个 VolumeClaimTemplate 创建 PersistentVolume。Pod 重新调度时，volumeMounts 会挂载对应的 PersistentVolume。需要注意的是，删除 Pod 或 StatefulSet 时，PersistentVolume 不会被自动删除。
部署和扩缩容保证
- 有序创建：Pod 按 {0..N-1} 顺序创建和部署
- 有序删除：Pod 按 {N-1..0} 逆序终止
- 扩容前提：执行扩容前，所有前序 Pod 必须处于 Running 和 Ready 状态
- 缩容前提：终止 Pod 前，所有后续 Pod 必须完全关闭
Pod 管理策略
OrderedReady（默认）
按序启动和终止 Pod，确保前一个 Pod 就绪后再启动下一个。
Parallel
并行启动和终止所有 Pod，不等待其他 Pod 状态。
spec:
podManagementPolicy: "Parallel"
更新策略
OnDelete
手动删除 Pod 后才会重新创建新版本的 Pod。
spec:
updateStrategy:
type: OnDelete
RollingUpdate（推荐）
自动滚动更新，按序数从大到小更新 Pod。
spec:
updateStrategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
partition: 0
分区更新
通过设置 partition 参数可以实现分段更新：
spec:
updateStrategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
partition: 2 # 只更新序数 >= 2 的 Pod
实际操作示例
部署 StatefulSet
以下是部署相关的配置：
# 创建 StatefulSet
kubectl apply -f web.yaml
# 查看 Service 和 StatefulSet
kubectl get service nginx
kubectl get statefulset web
# 查看自动创建的 PVC
kubectl get pvc
# 查看 Pod 状态
kubectl get pods -l app=nginx
基本运维操作
以下是相关的代码示例：
# 扩容到 5 个副本
kubectl scale statefulset web --replicas=5
# 缩容到 3 个副本
kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"replicas":3}}'
# 更新镜像
kubectl patch statefulset web --type='json' \
-p='[{"op": "replace", "path": "/spec/template/spec/containers/0/image", "value":"nginx:1.21"}]'
# 删除 StatefulSet（保留 PVC）
kubectl delete statefulset web
# 删除 Service
kubectl delete service nginx
# 清理 PVC（可选）
kubectl delete pvc www-web-0 www-web-1 www-web-2
DNS 验证
以下是相关的代码示例：
# 创建测试 Pod 验证 DNS 解析
kubectl run dns-test --image=busybox:1.28 --rm -it --restart=Never -- nslookup web-0.nginx.default.svc.cluster.local
高级示例：ZooKeeper 集群
以下是一个生产级别的 ZooKeeper StatefulSet 配置示例：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: zk-headless
labels:
app: zookeeper
spec:
ports:
- port: 2888
name: server
- port: 3888
name: leader-election
clusterIP: None
selector:
app: zookeeper
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: zk
spec:
serviceName: zk-headless
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: zookeeper
template:
metadata:
labels:
app: zookeeper
spec:
affinity:
podAntiAffinity:
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- labelSelector:
matchExpressions:
- key: app
operator: In
values:
- zookeeper
topologyKey: kubernetes.io/hostname
containers:
- name: zookeeper
image: zookeeper:3.7
ports:
- containerPort: 2181
name: client
- containerPort: 2888
name: server
- containerPort: 3888
name: leader-election
env:
- name: ZK_REPLICAS
value: "3"
- name: ZK_HEAP_SIZE
value: "1G"
- name: ZK_CLIENT_PORT
value: "2181"
- name: ZK_SERVER_PORT
value: "2888"
- name: ZK_ELECTION_PORT
value: "3888"
readinessProbe:
exec:
command:
- sh
- -c
- "echo ruok | nc localhost 2181 | grep imok"
initialDelaySeconds: 10
timeoutSeconds: 5
livenessProbe:
exec:
command:
- sh
- -c
- "echo ruok | nc localhost 2181 | grep imok"
initialDelaySeconds: 10
timeoutSeconds: 5
volumeMounts:
- name: datadir
mountPath: /data
securityContext:
runAsUser: 1000
fsGroup: 1000
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: datadir
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
storageClassName: "fast-ssd"
resources:
requests:
storage: 10Gi
外部访问
对于需要从集群外部访问 StatefulSet 中特定 Pod 的场景，可以通过以下方式：
方法一：NodePort Service
以下是相关的代码示例：
# 为特定 Pod 添加标签
kubectl label pod zk-0 instance=zk-0
kubectl label pod zk-1 instance=zk-1
# 暴露为 NodePort 服务
kubectl expose pod zk-0 --port=2181 --target-port=2181 \
--name=zk-0-external --selector=instance=zk-0 --type=NodePort
kubectl expose pod zk-1 --port=2181 --target-port=2181 \
--name=zk-1-external --selector=instance=zk-1 --type=NodePort
方法二：LoadBalancer Service
以下是相关的代码示例：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: zk-0-lb
spec:
type: LoadBalancer
ports:
- port: 2181
targetPort: 2181
selector:
statefulset.kubernetes.io/pod-name: zk-0
最佳实践
- 资源配置：合理设置 CPU 和内存资源限制
- 存储选择：根据性能需求选择合适的 StorageClass
- 健康检查：配置适当的 readiness 和 liveness 探针
- 反亲和性：使用 Pod 反亲和性确保高可用性
- 监控告警：配置完善的监控和告警机制
- 备份策略：制定数据备份和恢复策略
故障排查
常见问题及解决方案：
- Pod 启动失败：检查存储配置和资源限制
- DNS 解析问题：验证 Headless Service 配置
- 数据丢失：确认 PVC 配置和存储类设置
- 更新卡住：检查 Pod 反亲和性和资源可用性