【K8S系列】深入解析 ReplicaSet

1 基础介绍

Kubernetes ReplicaSet 是 Kubernetes 中的一个重要组件，它用于确保指定数量的 Pod 副本正在运行。

在本节中，我们将深入探讨 Kubernetes ReplicaSet 的一些关键特性和使用方法。

1.1 重要特性

下面是一些 ReplicaSet 的重要特性：

1. Pod 副本数的控制：通过 ReplicaSet，用户可以指定想要的 Pod 副本数目，ReplicaSet 会自动创建或删除 Pod 副本来达到该数量。
   
2. 根据标签选择器筛选 Pod：ReplicaSet 会基于一组标签选择器来选择匹配的 Pod，以便创建或删除相应的 Pod 副本。标签选择器可以指定某个应用的所有 Pod，也可以根据不同的部署环境来选择特定的 Pod。
   
3. 确保 Pod 的健康状态：ReplicaSet 会监控所有的 Pod 副本的运行状态，并确保在有 Pod 发生故障时进行恢复。如果某个 Pod 副本意外退出，ReplicaSet 会自动创建一个新的 Pod 副本来代替它，以维持指定的副本数。
   
4. 滚动更新和回滚：ReplicaSet 还支持滚动更新和回滚操作，用户可以通过指定更新的策略和版本号，对应用程序进行更新和回滚操作。
   
5. 与其他控制器的协作：ReplicaSet 可以与其他 Kubernetes 控制器对象（如 Deployment）协同工作，来完成应用程序的部署和管理任务。
   

1.2 控制器

在 Kubernetes 中，ReplicaSet 是一种控制器（Controller），它实现了 Kubernetes API 对象的控制循环（Control Loop）。

控制循环是 Kubernetes 中所有控制器的核心概念，它负责将系统状态调整为所需状态。

ReplicaSet 控制器的控制循环过程如下：

1. ReplicaSet 控制器监视 Pod 的状态，确保其与当前 ReplicaSet 配置文件中定义的副本数一致。
   
2. ReplicaSet 控制器的控制循环过程如下：
3. ReplicaSet 控制器监视 Pod 的状态，确保其与当前 ReplicaSet 配置文件中定义的副本数一致。
   

1.3 标签选择器

ReplicaSet 控制器使用标签选择器（Label Selector）来选择要控制的 Pod。所以，在 ReplicaSet 配置文件中，可以使用标签选择器指定要控制的 Pod 的标签。

ReplicaSet 控制器将根据标签选择器选择符合条件的 Pod，确保其数量与 ReplicaSet 配置文件中定义的副本数一致。

示例配置文件：

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet #资源类型
metadata:
  name: my-replicaset
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
      - name: my-container
        image: my-image
        ports:
        - containerPort: 80

在上面的示例中，ReplicaSet 控制器将根据 matchLabels: app: my-app 标签选择器选择符合条件的 Pod，确保其数量与 replicas: 3 中定义的副本数一致。

Pod 模板定义了要控制的 Pod 的规格、容器镜像、环境变量、挂载卷等信息。

1.4 自动伸缩

ReplicaSet 控制器还可以结合 HorizontalPodAutoscaler（HPA）组件实现自动伸缩功能。HPA 可以根据 Pod 的 CPU 使用率等指标来自动调整 ReplicaSet 中的 Pod 副本数，以满足应用程序的需求。

当应用程序的负载增加时，HPA 可以自动增加 Pod 副本数，从而提高应用程序的吞吐量；

当负载下降时，HPA 可以自动减少 Pod 副本数，从而节省资源。

示例配置文件：

apiVersion: autoscaling/v1
kind: HorizontalPodAutoscaler #资源类型
metadata:
  name: my-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: ReplicaSet
    name: my-replicaset
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  targetCPUUtilizationPercentage: 50

在上面的示例中，HPA 将根据 targetCPUUtilizationPercentage: 50 指定的 CPU 使用率来自动调整 my-replicaset ReplicaSet 中的 Pod 副本数，确保其数在 1 到 10 之间。

2 拓展

2.1 Deployment 水平扩展

Deployment 看似简单，但实际上，它实现了 Kubernetes 项目中一个非常重要的功能：Pod 的“水平扩展 / 收缩”（horizontal scaling out/in）。这个功能，是从 PaaS 时代开始，一个平台级项目就必须具备的编排能力。

举个例子，如果你更新了 Deployment 的 Pod 模板（比如，修改了容器的镜像），那么 Deployment 就需要遵循一种叫作“滚动更新”（rolling update）的方式，来升级现有的容器。

而这个能力的实现，依赖的是 Kubernetes 项目中的一个非常重要的概念（API 对象）：ReplicaSet。

ReplicaSet 的结构非常简单，可以通过这个 YAML 文件查看一下：

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet #资源类型
metadata:
  name: nginx-set
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9

思考问题：

对于一个 Deployment 所管理的 Pod，它的 ownerReference 是谁？

答案是：ReplicaSet。

可以看到，这就是一个常用的 nginx-deployment，它定义的 Pod 副本个数是 3（spec.replicas=3）。

在具体的实现上，这个 Deployment，与 ReplicaSet，以及 Pod 的关系是怎样的呢？

可以用一张图把它描述出来：

通过这张图，可以清楚的看到，一个定义了 replicas=3 的 Deployment，与它的ReplicaSet，以及 Pod 的关系，实际上是一种“层层控制”的关系。  

其中，ReplicaSet 负责通过“控制器模式”，保证系统中 Pod 的个数永远等于指定的个数（比如，3 个）。

这也正是 Deployment 只允许容器的 restartPolicy=Always 的主要原因：只有在容器能保证自己始终是 Running 状态的前提下，ReplicaSet 调整 Pod 的个数才有意义。

而在此基础上，Deployment 同样通过“控制器模式”，来操作 ReplicaSet 的个数和属性，进而实现“水平扩展 / 收缩”和“滚动更新”这两个编排动作。

其中，“水平扩展 / 收缩”非常容易实现，Deployment Controller 只需要修改它所控制的 ReplicaSet 的 Pod 副本个数就可以了。

$ kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=4
deployment.apps/nginx-deployment scaled

比如，把这个值从 3 改成 4，那么 Deployment 所对应的 ReplicaSet，就会根据修改后的值自动创建一个新的 Pod。

这就是“水平扩展”了；“水平收缩”则反之。

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