前言

今天，主要了解一下Kubernetes里有代表性的控制器模式的完整实现：Deployment。
Deployment看似简单，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。

Deployment

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。
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。

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
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

从这个YAML文件中，我们可以看到，一个ReplicaSet对象，其实就是由副本数目的定义和一个Pod模板组成的。不难发现，它的定义其实是Deployment的一个子集。

更重要的是，Deployment控制器实际操纵的，正是这样的ReplicaSet对象，而不是Pod对象。 同时，对于一个Deployment所管理的Pod，它的ownerReference并不是Deployment，而是ReplicaSet。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

以上正是常用的nginx-deployment。

在具体的实现上，对比Deployment，与ReplicaSet，以及Pod的关系：

从上图可以看到，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。

在此基础上，Deployment同样通过“控制器模式”，操作ReplicaSet的个数和属性，进而实现“水平扩缩”和“滚动更新”这两个编排动作。其中，“水平扩缩”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。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。操作的指令也非常简单：

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

滚动更新

下面介绍Deployment如何实现滚动更新。
先创建这个nginx-deployment：

$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml --record

这里的record参数，用于记录下每次操作所执行的命令，方便后面查看。
立即检查一下nginx-deployment创建后的状态信息：

$ kubectl get deployments
NAME               DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   3         0         0            0           1s

打印中有四个状态字段，它们的含义如下：

1. DESIRED：用户期望的Pod副本个数（spec.replicas的值）；
2. CURRENT：当前处于Running状态的Pod的个数；
3. UP-TO-DATE：当前处于最新版本的Pod的个数，所谓最新版本指的是Pod的Spec部分与Deployment里Pod模板里定义的完全一致；
4. AVAILABLE：当前已经可用的Pod的个数，即：既是Running状态，又是最新版本，并且已经处于Ready（健康检查正确）状态的Pod的个数。
   只有这个AVAILABLE字段，描述的才是用户所期望的最终状态。

我们可以通过命令kubectl rollout status实时查看Deployment对象的状态变化：

$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
deployment.apps/nginx-deployment successfully rolled out

再等待一会儿，可以看到这个Deployment的3个Pod，就进入到了AVAILABLE状态：

NAME               DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   3         3         3            3           20s

查看一下这个Deployment所控制的ReplicaSet：

$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-3167673210   3         3         3       20s

以上过程总结如下：

• 在用户提交了一个Deployment对象后，Deployment Controller就会立即创建一个Pod副本个数为3的ReplicaSet。这个ReplicaSet的名字，是由Deployment的名字和一个随机字符串（pod-template-hash）共同组成。在以上这个例子里就是：3167673210。
• ReplicaSet会把这个随机字符串加在它所控制的所有Pod的标签里，从而保证这些Pod不会与集群里的其他Pod混淆。
• ReplicaSet的DESIRED、CURRENT和READY字段的含义，和Deployment中是一致的。所以，相比之下，Deployment只是在ReplicaSet的基础上，添加了UP-TO-DATE这个跟版本有关的状态字段。

这个时候，如果我们修改了Deployment的Pod模板，“滚动更新”就会被自动触发。修改Deployment有很多方法。比如，我可以直接使用kubectl edit指令编辑Etcd里的API对象：

$ kubectl edit deployment/nginx-deployment
... 
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1 # 1.7.9 -> 1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
...
deployment.extensions/nginx-deployment edited

kubectl edit指令，会帮你直接打开nginx-deployment的API对象。然后，你就可以修改这里的Pod模板部分了。比如，在这里，我将nginx镜像的版本升级到了1.9.1。
kubectl edit指令编辑完成后，保存退出，Kubernetes就会立刻触发“滚动更新”的过程。你还可以通过kubectl rollout status指令查看nginx-deployment的状态变化：

$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
deployment.extensions/nginx-deployment successfully rolled out

通过查看Deployment的Events，看到这个“滚动更新”的流程：

$ kubectl describe deployment nginx-deployment
...
Events:
  Type    Reason             Age   From                   Message
  ----    ------             ----  ----                   -------
...
  Normal  ScalingReplicaSet  24s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 1
  Normal  ScalingReplicaSet  22s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 2
  Normal  ScalingReplicaSet  22s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 2
  Normal  ScalingReplicaSet  19s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 1
  Normal  ScalingReplicaSet  19s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 3
  Normal  ScalingReplicaSet  14s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 0

可以看到：

• 当你修改了Deployment里的Pod定义之后，Deployment Controller会使用这个修改后的Pod模板，创建一个新的ReplicaSet（hash=1764197365），这个新的ReplicaSet的初始Pod副本数是：0。
• 在Age=24 s的位置，Deployment Controller开始将这个新的ReplicaSet所控制的Pod副本数从0个变成1个，即：“水平扩展”出一个副本。
• 在Age=22 s的位置，Deployment Controller又将旧的ReplicaSet（hash=3167673210）所控制的旧Pod副本数减少一个，即：“水平收缩”成两个副本。
• 如此交替进行，新ReplicaSet管理的Pod副本数，从0个变成1个，再变成2个，最后变成3个。而旧的ReplicaSet管理的Pod副本数则从3个变成2个，再变成1个，最后变成0个。这样，就完成了这一组Pod的版本升级过程。

像这样，将一个集群中正在运行的多个Pod版本，交替地逐一升级的过程，就是“滚动更新”。

在“滚动更新”过程完成之后，查看一下新、旧两个ReplicaSet的最终状态：

$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-1764197365   3         3         3       6s
nginx-deployment-3167673210   0         0         0       30s

“滚动更新”机制带来的好处：

• 在升级刚开始的时候，集群里只有1个新版本的Pod。如果这时，新版本Pod有问题启动不起来，那么“滚动更新”就会停止，从而允许开发和运维人员介入。而在这个过程中，由于应用本身还有两个旧版本的Pod在线，所以服务并不会受到太大的影响。
• 这也就要求你一定要使用Pod的Health Check机制检查应用的运行状态，而不是简单地依赖于容器的Running状态。要不然的话，虽然容器已经变成Running了，但服务很有可能尚未启动，“滚动更新”的效果也就达不到了。
• 而为了进一步保证服务的连续性，Deployment Controller还会确保，在任何时间窗口内，只有指定比例的Pod处于离线状态。同时，它也会确保，在任何时间窗口内，只有指定比例的新Pod被创建出来。这两个比例的值都是可以配置的，默认都是DESIRED值的25%。

控制器在“滚动更新”的过程中永远都会确保至少有xxx个Pod处于可用状态，至多只有xxx个Pod同时存在于集群中。这个策略，是Deployment对象的一个字段，名叫RollingUpdateStrategy，如下所示：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
...
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 1

maxSurge指定的是除了DESIRED数量之外，在一次“滚动”中，Deployment控制器还可以创建多少个新Pod；而maxUnavailable指的是，在一次“滚动”中，Deployment控制器可以删除多少个旧Pod。

再来看Deployment、ReplicaSet和Pod的关系图：

如上所示，Deployment的控制器，实际上控制的是ReplicaSet的数目，以及每个ReplicaSet的属性。而一个应用的版本，对应的正是一个ReplicaSet；这个版本应用的Pod数量，则由ReplicaSet通过它自己的控制器（ReplicaSet Controller）来保证。通过这样的多个ReplicaSet对象，Kubernetes项目就实现了对多个“应用版本”的描述。

基于“应用版本和ReplicaSet一一对应”的设计思想，进一步就能理解Deployment对应用进行版本控制的具体原理了。
（待补充）

附

此文章为3月Day17学习笔记，内容来源于极客时间《深入剖析Kubernetes》