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架构14-资源与调度

news 来源：原创 2025/7/5 15:16:52

架构14-资源与调度

1、资源模型

（1）概述

在 Kubernetes 中，资源模型是一个非常重要的概念，它涉及如何管理和分配集群中的资源，以确保 Pod 能够在最合适的节点上运行。
资源模型不仅包括物理资源，如处理器、内存、存储和网络资源，还包括各种抽象资源，如策略、依赖、权限等。

（2）广义资源 vs 狭义资源

**广义资源：**Kubernetes 系统中所有你能接触的方方面面，都被抽象成了资源。例如：
- **工作负荷资源：**Pod、ReplicaSet、Service 等。
- **存储资源：**Volume、PersistentVolume、Secret 等。
- **策略资源：**SecurityContext、ResourceQuota、LimitRange 等。
- **身份资源：**ServiceAccount、Role、ClusterRole 等。
**狭义资源：**特指能够与真实物理底层硬件对应起来的资源，如处理器资源、内存资源、磁盘存储资源等。

（3）物理资源

资源单位
- 处理器资源：
  - 默认计量单位是“逻辑处理器的个数”。
  - 如果不明确标注单位，直接写 0.5，默认单位是 Core，即 0.5 个处理器。
  - 也可以明确使用 Millcores 为单位，例如 500 m，同样代表 0.5 个处理器，因为 1 Core = 1000 Millcores。
- 内存资源：
  - 默认计量单位是 Bytes。
  - 为了实际设置的方便，Kubernetes 还支持以 Ei、Pi、Ti、Gi、Mi、Ki 以及 E、P、T、G、M、K 为单位。
  - 例如，Mi 表示 Mebibytes（1024×1024 Bytes），M 表示 Megabytes（1000×1000 Bytes）。
资源类型
- **可压缩资源：**如处理器资源，当资源不足时，Pod 只会处于“饥饿状态”，运行变慢，但不会被系统杀死。
- **不可压缩资源：**如内存资源，当资源不足或超过容器声明的最大限度时，Pod 会被系统直接杀掉（Out-Of-Memory, OOM）。

（4）资源需求与配额

**资源需求：**通过 spec.containers[].resources.requests 字段设置，用于告诉调度器 Pod 需要多少资源。
**资源配额：**通过 spec.containers[].resources.limits 字段设置，用于告诉 cgroups Pod 最多可以使用多少资源。

2、服务质量与优先级

（1）概述

在 Kubernetes 中，为了更好地管理和分配集群资源，确保重要服务的稳定性和资源利用率的最大化，引入了服务质量（Quality of Service, QoS）和优先级（Priority）两个重要概念。

（2）服务质量（QoS）

服务质量是 Pod 的一个隐含属性，用于衡量 Kubernetes 在资源紧张时优先保障哪些 Pod 的运行。
Kubernetes 目前提供了三个级别的服务质量，由高到低分别为：
- Guaranteed
  - **定义：**Pod 中所有容器都设置了 limits 和 requests，且两者的值相等。
  - **特点：**这类 Pod 的资源需求非常明确，Kubernetes 会尽力保证它们的资源需求得到满足。除非 Pod 使用超过了它们的 limits 所描述的不可压缩资源，或者节点的内存压力大到 Kubernetes 已经杀光所有等级更低的 Pod 了，否则它们都不会被系统自动杀死。
  - **适用场景：**适合数据库应用等有状态的应用，或者是一些重要的、要保证不能中断的业务。
- Burstable
  - **定义：**Pod 中有部分容器的 requests 值小于 limits 值，或者只设置了 requests 而未设置 limits。
  - **特点：**这类 Pod 有一定的灵活性，可以在资源充足时使用更多的资源，但在资源紧张时可能会被系统降低优先级。
  - **适用场景：**适合大多数中间件服务，如缓存服务、消息队列等。
- BestEffort
  - **定义：**Pod 中没有任何容器设置了 limits 和 requests。
  - **特点：**这类 Pod 可以使用节点上所有可用的计算资源，但也是最不稳定的风险来源。在资源紧张时，它们最容易被系统杀掉。
  - **适用场景：**适合临时的、不那么重要的任务，如批处理任务、临时测试环境等。

（3）优先级（Priority）

优先级允许系统管理员自行决定 Pod 的优先级，通过类型为 PriorityClass 的资源来实现。优先级不仅影响 Pod 的调度顺序，还会影响 Kubernetes 的抢占机制。
调度影响
- **高优先级 Pod：**在多个 Pod 同时被调度时，高优先级的 Pod 会优先被调度。
- **低优先级 Pod：**越晚被调度的 Pod，越大概率地会因节点资源已被占用而不能成功。
抢占机制（Preemption）
- **定义：**当一个设置了明确优先级的 Pod 调度失败时，Kubernetes 会在系统中寻找出一批牺牲者（Victims），把它们杀掉以便给更高优先级的 Pod 让出资源。
- **原则：**在优先级低于待调度 Pod 的所有已调度的 Pod 里，按照优先级从低到高排序，从最低的杀起，直至腾出的资源可以满足待调度 Pod 的成功调度为止，或者已经找不到更低优先级的 Pod 为止。

3、驱逐机制

（1）概述

在 Kubernetes 中，驱逐机制是一种重要的资源管理手段，用于确保节点上的资源在紧张时能够合理分配，防止因为资源耗尽而导致整个节点或关键服务崩溃。
驱逐机制由 kubelet 负责执行，kubelet 是部署在每个节点上的集群管理程序，能够实时监控节点的资源使用情况。

（2）驱逐机制的触发条件

驱逐机制主要针对不可压缩资源，如内存、磁盘空间、文件系统 inode 数量等。当这些资源即将耗尽时，kubelet 会触发驱逐操作。具体的触发条件如下：
- 内存：
  - memory.available < 100Mi
- 磁盘空间：
  - nodefs.available < 10%
- 文件系统 inode 数量：
  - nodefs.inodesFree < 5%
- 容器运行时镜像存储空间：
  - imagefs.available < 15%
这些阈值可以通过 kubelet 的命令行参数进行调整，例如：

--eviction-hard=memory.available<100Mi,nodefs.available<10%,nodefs.inodesFree<5%,imagefs.available<15%

（3）驱逐机制的类型

软驱逐
- 软驱逐通常配置一个较低的警戒线，当资源使用率达到这个警戒线时，系统会进入一段观察期。如果资源在观察期内恢复正常，就不会启动驱逐操作。如果资源持续超过警戒线一段时间，系统会触发 Pod 的优雅退出（Graceful Shutdown），通知 Pod 进行必要的清理工作，然后自行结束。如果在优雅退出期结束后，Pod 仍未自行终止，系统会强制杀掉 Pod。
- 例如：

--eviction-soft=memory.available<200Mi 
--eviction-soft-grace-period=memory.available=30s 
--eviction-max-pod-grace-period=120

硬驱逐
- 硬驱逐通常配置一个较高的终止线，一旦资源使用率达到这个终止线，系统会立即强制杀掉 Pod，不理会优雅退出。
- 例如：

--eviction-hard=memory.available<100Mi

（4）驱逐机制的执行流程

资源监控：kubelet 持续监控节点的资源使用情况。
**触发条件判断：**当资源使用率达到软驱逐或硬驱逐的阈值时，触发驱逐操作。
选择驱逐目标：kubelet 会选择服务质量等级（QoS）较低的 Pod 进行驱逐。
**优雅退出：**对于软驱逐，系统会通知 Pod 进行优雅退出。
**强制终止：**如果 Pod 在优雅退出期内未自行终止，系统会强制杀掉 Pod。
**资源释放：**被驱逐的 Pod 被终止后，其占用的资源会被释放。

（5）驱逐机制的注意事项

**资源抖动：**资源使用率可能会出现短暂的波动，因此软驱逐机制可以帮助减少因资源抖动导致的频繁驱逐。
**资源预留：**驱逐机制不仅要考虑当前资源的释放，还要为新 Pod 的调度和旧 Pod 的运行预留足够的资源。
**参数配置：**合理的配置驱逐参数可以避免资源浪费和不必要的服务中断。
**特殊 Pod 处理：**对于由 DaemonSet 等管理的 Pod，需要特别注意驱逐后的重新调度问题，避免出现“阴魂不散”的情况。

4、默认调度器

（1）概述

Kubernetes 的默认调度器是负责将新创建的 Pod 分配到合适的节点上运行的关键组件。调度器的设计旨在高效地处理大规模集群中的资源分配问题，同时确保服务的稳定性和资源的充分利用。

（2）调度流程

调度器的工作流程可以分为两个主要的控制循环：Informer Loop 和 Scheduler Loop。
- Informer Loop
  - **作用：**持续监视 etcd 中与调度相关资源（主要是 Pod 和 Node）的变化情况。
  - 具体操作：
    - **Pod 变化：**当有新 Pod 生成时，将其入队（Enqueue）到调度队列中。
    - **Node 变化：**当有新的节点加入集群或已有的节点资源信息发生变动时，更新调度缓存中的信息。
- **Scheduler Loop **
  - **作用：**从调度队列中取出 Pod，使用 Predicate 和 Priority 算法进行节点选择和评分，最终确定目标节点。
  - 具体步骤：
    - **出队：**从调度队列中取出一个 Pod。
    - **Predicate 筛选：**使用一组节点过滤器（Filter）筛选出符合要求的节点。
      - **通用过滤策略：**检查节点是否满足 Pod 声明中需要的资源。
      - **卷过滤策略：**检查节点挂载的 Volume 是否存在冲突。
      - **节点过滤策略：**检查节点的污点与容忍度机制。
    - **Priority 评分：**对筛选出的节点进行评分，选择得分最高的节点。
      - **LeastRequestedPriority：**选择处理器和内存空闲资源最多的节点。
      - **BalancedResourceAllocation：**选择资源分配最均衡的节点。
    - **绑定：**更新 Pod 的 nodeName 字段为目标节点的名字，通知目标节点的 kubelet 创建 Pod。

（3）调度缓存

**作用：**作为两个控制循环的共享状态，避免调度器每次调度时主动轮询所有集群节点，提高调度器的执行效率。
**局限：**不能完全避免因节点信息同步不及时导致的资源变化情况，因此在 kubelet 创建 Pod 前还需要进行二次确认（Admit 操作）。

（4）乐观绑定

**作用：**提高调度器的效率，避免等待 kubelet 完成 Pod 创建后再宣告调度成功。
具体操作：
- **同步更新：**在调度缓存中更新 Pod 的 nodeName 字段。
- **异步更新：**在 etcd 中更新 Pod 的 nodeName 字段。
- **失败处理：**如果调度失败，由 Informer 根据 Pod 的变动，将调度成功但未创建成功的 Pod 清空 nodeName 字段，重新同步回调度缓存中。

（5）扩展性

**Scheduler Framework：**通过暴露扩展点（如 Predicate、Priority 等），允许用户自定义调度逻辑。
**实现方式：**通过 Golang 的 Plugin 机制实现，需静态编译，属于高级的 Kubernetes 管理技能。

（6）关键概念

**服务质量（QoS）：**Pod 的隐含属性，分为 Guaranteed、Burstable 和 BestEffort 三级。
**优先级（Priority）：**通过 PriorityClass 资源实现，影响 Pod 的调度顺序和抢占机制。
**驱逐机制（Eviction）：**当节点资源不足时，根据 QoS 和优先级选择牺牲的 Pod，以保证重要服务的稳定。

架构14-资源与调度

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【一本通】农场派对

【一本通】农场派对 💐The Begin💐点点关注，收藏不迷路💐 N头牛要去参加一场在编号为x(1≤x≤n)的牛的农场举行的派对(1≤N≤1000)，有M(1≤m≤100000)条有向道路，每条路长ti(1≤ti≤100)；每头牛…...

编程日记 2025/7/4 19:55:05

uniapp中父组件传参到子组件页面渲染不生效问题处理实战记录

上篇文件介绍了,父组件数据更新正常但是页面渲染不生效的问题,详情可以看下:uniapp中父组件数组更新后与页面渲染数组不一致实战记录本文在此基础上由于新增需求衍生出新的问题.本文只记录一下解决思路. 下面说下新增需求方便理解场景: 商品信息设置中添加抽奖概率设置…...

编程日记 2025/6/30 19:48:47

基础暴力算法

线性枚举线性枚举（Linear Enumeration）是一种暴力枚举的方法，它逐一检查每个可能的解，适用于搜索和枚举问题。其核心思路是：对问题的所有可能情况逐一进行遍历，并针对每种情况判断是否满足条件&#xf…...

编程日记 2025/6/28 12:56:29

架构14-资源与调度

1、资源模型

（1）概述

（2）广义资源 vs 狭义资源

（3）物理资源

（4）资源需求与配额

2、服务质量与优先级

（1）概述

（2）服务质量（QoS）

（3）优先级（Priority）

3、驱逐机制

（1）概述

（2）驱逐机制的触发条件

（3）驱逐机制的类型

（4）驱逐机制的执行流程

（5）驱逐机制的注意事项

4、 默认调度器

（1）概述

（2）调度流程

（3）调度缓存

（4）乐观绑定

（5）扩展性

（6）关键概念

相关文章：

4、默认调度器