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k8s基于资源锁的选主分析
简介
k8s 中为了实现高可用，需要部署多个副本，例如多个 apiserver、scheduler、controller-manager 等，其中 apiserver 是无状态的每个组件都可以工作，而 scheduler 与 controller-manager 是有状态的，同一时刻只能存在一个活跃的，需要进行选主。
k8s 使用了资源锁（endpoints/configmap/lease）的方式来实现选主，多个副本去创建资源，创建成功则获得锁成为 leader，leader 在租约内去刷新锁，其他副本则通过比对锁的更新时间判断是否成为新的 leader。
k8s 采用了资源版本号的乐观锁方式来实现选主，对比 etcd 选主，效率更高，并发性更好。
源码分析
k8s 选主实现在 client-go 中，包k8s.io/client-go/tools/leaderelection
结构定义
锁结构定义如下：
// k8s.io/client-go/tools/leaderelection/resourcelock/interface.go
type LeaderElectionRecord struct {
// leader 标识，通常为 hostname
HolderIdentity string `json:"holderIdentity"`
// 同启动参数 --leader-elect-lease-duration
LeaseDurationSeconds int `json:"leaseDurationSeconds"`
// Leader 第一次成功获得租约时的时间戳
AcquireTime unversioned.Time `json:"acquireTime"`
// leader 定时 renew 的时间戳
RenewTime unversioned.Time `json:"renewTime"`
LeaderTransitions int `json:"leaderTransitions"`
}k8s 中的选举锁需实现resourcelock.Interface接口，基本上实现 CRU，将 leader 信息存在在 annotation 中
// k8s.io/client-go/tools/leaderelection/resourcelock/interface.go
type Interface interface {
// Get returns the LeaderElectionRecord
Get() (*LeaderElectionRecord, []byte, error)
// Create attempts to create a LeaderElectionRecord
Create(ler LeaderElectionRecord) error
// Update will update and existing LeaderElectionRecord
Update(ler LeaderElectionRecord) error
// RecordEvent 记录锁切换事件
RecordEvent(string)
// Identity will return the locks Identity
Identity() string
// Describe is used to convert details on current resource lock
// into a string
Describe() string
}创建资源锁
锁类型包括：configmaps， endpoints, lease, 以及 multiLock
// k8s.io/client-go/tools/leaderelection/resourcelock/interface.go
func New(lockType string, ns string, name string, coreClient corev1.CoreV1Interface, coordinationClient coordinationv1.CoordinationV1Interface, rlc ResourceLockConfig) (Interface, error) {
endpointsLock := &EndpointsLock{
EndpointsMeta: metav1.ObjectMeta{
Namespace: ns,
Name: name,
},
Client: coreClient,
LockConfig: rlc,
}
configmapLock := &ConfigMapLock{
ConfigMapMeta: metav1.ObjectMeta{
Namespace: ns,
Name: name,
},
Client: coreClient,
LockConfig: rlc,
}
leaseLock := &LeaseLock{
LeaseMeta: metav1.ObjectMeta{
Namespace: ns,
Name: name,
},
Client: coordinationClient,
LockConfig: rlc,
}
switch lockType {
case EndpointsResourceLock:
return endpointsLock, nil
case ConfigMapsResourceLock:
return configmapLock, nil
case LeasesResourceLock:
return leaseLock, nil
case EndpointsLeasesResourceLock:
return &MultiLock{
Primary: endpointsLock,
Secondary: leaseLock,
}, nil
case ConfigMapsLeasesResourceLock:
return &MultiLock{
Primary: configmapLock,
Secondary: leaseLock,
}, nil
default:
return nil, fmt.Errorf("Invalid lock-type %s", lockType)
}
}使用者首先通过new()函数创建资源锁，需要提供锁类型、namespace、name、唯一标示等。
进行选举
创建选举配置，通常如下：
// start the leader election code loop
leaderelection.RunOrDie(ctx, leaderelection.LeaderElectionConfig{
// 资源锁类型
Lock: lock,
// 租约时长，非主候选者用来判断资源锁是否过期
LeaseDuration: 60 * time.Second,
// leader刷新资源锁超时时间
RenewDeadline: 15 * time.Second,
// 调用资源锁间隔
RetryPeriod: 5 * time.Second,
// 回调函数，根据选举不同事件触发
Callbacks: leaderelection.LeaderCallbacks{
OnStartedLeading: func(ctx context.Context) {
run(ctx)
},
OnStoppedLeading: func() {
klog.Infof("leader lost: %s", id)
os.Exit(0) // 必须要退出，重启开始选主，否则将不会参与到选主中
},
OnNewLeader: func(identity string) {
if identity == id {
return
}
klog.Infof("new leader elected: %s", identity)
},
},
})创建选举对象后，执行Run函数开始选主
// k8s.io/client-go/tools/leaderelection/leaderelection.go
// Run starts the leader election loop
func (le *LeaderElector) Run(ctx context.Context) {
defer func() {
runtime.HandleCrash()
// 锁丢失时执行OnStoppedLeading回调函数
le.config.Callbacks.OnStoppedLeading()
}()
// 尝试获得锁
if !le.acquire(ctx) {
return // ctx signalled done
}
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
// 获得锁后执行OnStartedLeading回调函数
go le.config.Callbacks.OnStartedLeading(ctx)
// 定期刷新锁
le.renew(ctx)
}acruire 方法：
// k8s.io/client-go/tools/leaderelection/leaderelection.go
// acquire loops calling tryAcquireOrRenew and returns true immediately when tryAcquireOrRenew succeeds.
// Returns false if ctx signals done.
func (le *LeaderElector) acquire(ctx context.Context) bool {
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
succeeded := false
desc := le.config.Lock.Describe()
klog.Infof("attempting to acquire leader lease %v...", desc)
// 调用 JitterUntil 函数，以 RetryPeriod 为间隔去刷新资源锁，直到获取锁
wait.JitterUntil(func() {
// tryAcquireOrRenew 方法去调度资源更新接口，判断是否刷新成功
succeeded = le.tryAcquireOrRenew()
le.maybeReportTransition()
if !succeeded {
klog.V(4).Infof("failed to acquire lease %v", desc)
return
}
le.config.Lock.RecordEvent("became leader")
le.metrics.leaderOn(le.config.Name)
klog.Infof("successfully acquired lease %v", desc)
cancel()
}, le.config.RetryPeriod, JitterFactor, true, ctx.Done())
return succeeded
}renew 方法，只有在获取锁之后才会调用，它会通过持续更新资源锁的数据，来确保继续持有已获得的锁，保持自己的 leader 状态。
// renew loops calling tryAcquireOrRenew and returns immediately when tryAcquireOrRenew fails or ctx signals done.
func (le *LeaderElector) renew(ctx context.Context) {
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
wait.Until(func() {
timeoutCtx, timeoutCancel := context.WithTimeout(ctx, le.config.RenewDeadline)
defer timeoutCancel()
//
err := wait.PollImmediateUntil(le.config.RetryPeriod, func() (bool, error) {
done := make(chan bool, 1)
go func() {
defer close(done)
done <- le.tryAcquireOrRenew()
}()
// 超时返回error, 否则返回更新结果
select {
case <-timeoutCtx.Done():
return false, fmt.Errorf("failed to tryAcquireOrRenew %s", timeoutCtx.Err())
case result := <-done:
return result, nil
}
}, timeoutCtx.Done())
le.maybeReportTransition()
desc := le.config.Lock.Describe()
if err == nil {
klog.V(5).Infof("successfully renewed lease %v", desc)
return
}
le.config.Lock.RecordEvent("stopped leading")
le.metrics.leaderOff(le.config.Name)
klog.Infof("failed to renew lease %v: %v", desc, err)
cancel()
}, le.config.RetryPeriod, ctx.Done())
// if we hold the lease, give it up
if le.config.ReleaseOnCancel {
le.release()
}
}这里使用了 wait 包，wait.Until会不断的调用wait.PollImmediateUntil方法，前者是进行无限循环操作，直到 stop chan被关闭，wait.PollImmediateUntil则不断的对某一条件进行检查，以RetryPeriod为间隔，直到该条件返回 true、error 或者超时。这一条件是一个需要满足 func() (bool, error) 签名的方法，比如这个例子只是调用了 le.tryAcquireOrRenew()。
最后看下tryAcquireOrRenew方法：
// tryAcquireOrRenew tries to acquire a leader lease if it is not already acquired,
// else it tries to renew the lease if it has already been acquired. Returns true
// on success else returns false.
func (le *LeaderElector) tryAcquireOrRenew() bool {
now := metav1.Now()
// 这个 leaderElectionRecord 就是保存在 endpoint/configmap 的 annotation 中的值。
// 每个节点都将 HolderIdentity 设置为自己，以及关于获取和更新锁的时间。后面会对时间进行修正，才会更新到 API server
leaderElectionRecord := rl.LeaderElectionRecord{
HolderIdentity: le.config.Lock.Identity(),
LeaseDurationSeconds: int(le.config.LeaseDuration / time.Second),
RenewTime: now,
AcquireTime: now,
}
// 1. 获取或者创建 ElectionRecord
oldLeaderElectionRecord, oldLeaderElectionRawRecord, err := le.config.Lock.Get()
if err != nil {
// 记录不存在的话，则创建一条新的记录
if !errors.IsNotFound(err) {
klog.Errorf("error retrieving resource lock %v: %v", le.config.Lock.Describe(), err)
return false
}
if err = le.config.Lock.Create(leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("error initially creating leader election record: %v", err)
return false
}
// 创建记录成功，同时表示获得了锁，返回true
le.observedRecord = leaderElectionRecord
le.observedTime = le.clock.Now()
return true
}
// 2. 正常获取了锁资源的记录，检查锁持有者和更新时间。
if !bytes.Equal(le.observedRawRecord, oldLeaderElectionRawRecord) {
// 记录之前的锁持有者
le.observedRecord = *oldLeaderElectionRecord
le.observedRawRecord = oldLeaderElectionRawRecord
le.observedTime = le.clock.Now()
}
// 在满足以下所有的条件下，认为锁由他人持有，并且还没有过期，返回 false
// a. 当前锁持有者的并非自己
// b. 上一次观察时间 + 观测检查间隔大于现在时间，即距离上次观测的间隔，小于 `LeaseDuration` 的设置值。
if len(oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity) > 0 &&
le.observedTime.Add(le.config.LeaseDuration).After(now.Time) &&
!le.IsLeader() {
klog.V(4).Infof("lock is held by %v and has not yet expired", oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity)
return false
}
// 3. 更新资源的资源锁
if le.IsLeader() {
leaderElectionRecord.AcquireTime = oldLeaderElectionRecord.AcquireTime
leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions
} else {
leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions + 1
}
// 调用资源锁更新接口
if err = le.config.Lock.Update(leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("Failed to update lock: %v", err)
return false
}
le.observedRecord = leaderElectionRecord
le.observedTime = le.clock.Now()
return true
}
总结
当应用在 k8s 上部署时，使用 k8s 的资源锁，可方便的实现高可用，但需要注意以下几点：
- 推荐使用
configmap作为资源锁，原因是某些组件如kube-proxy会去监听endpoints来更新节点 iptables 规则，当有大量资源锁时，势必会对性能有影响。 - 当选举结束时调用
OnStoppedLeading需要退出程序(例如os.Exit(0))，若不退出程序，所有副本选举结束不会去竞争资源锁，就没有 leader，造成服务不可用而这时程序并没有异常。需要执行退出逻辑，让 Daemon 程序 k8s/systemd 等重启服务来重新参与选主。