云原生之深入解析Kubernetes Operator的最佳实践和最常见的问题分析

一、Kubernetes Operator 简介

Kubernetes Operator 是通过连接主 API 并 watch 时间的一组进程，一般会 watch 有限的资源类型。当相关 watch 的 event 触发的时候，operator 做出响应并执行具体的动作。这可能仅限于与主 API 交互，但通常会涉及在其他一些系统上执行某些操作（可以是集群中或集群外资源）。
Kubernetes 操作员是连接到主 API 并监视事件的进程，通常是在有限数量的资源类型上。当相关事件发生时，操作员做出反应并执行特定的操作。

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操作符被实现为一组控制器，其中每个控制器监视一个特定的资源类型。当被监视资源上发生相关事件时，将启动一个协调周期。Operators 是控制器的集合，并且每个控制器 watch 指定的资源类型。当被 watched 的资源时间触发的时候，协调周期也将随之启动。在协调周期期间，控制器有责任检查当前状态是否与被 watched 资源描述的期望状态相匹配。有趣的是，根据设计，时间并不会传递到协调周期中，这将会强制地让你去考虑实例的整个状态，这种方法被称为基于水平触发而不是基于边缘触发（level-based, as opposed to edge-based）。这源自于电子电路的设计，水平触发是接收 event（例如中断）并对状态做出反应的理念，而基于边缘的触发是接收 event 并对状态变化做出反应的理念。
水平触发虽说效率较低，因为它强制重新评估完整的状态，而不是仅仅关注改变了什么，但在信号可能丢失或多次重复传输的复杂不可靠环境中，这种方式被认为是更适用的。这种设计的选择会影响我们编写控制器代码的方式。如下提供了一个高层次的总结：

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当向API服务器发送请求时，特别是对于创建和删除请求，它们将会经历上述的阶段。需要注意的是，也可以指定 webhook 来执行请求的更改和验证。如果 operator 引入 CRD（custom resource definition），可能还必须定义这些 webhook。一般来说，operator 进程会开放一个端口来来实现 webhook endpoint。
如果 operator 引入了一个新的 CRD，Operator SDK 将会协助你来搭建，为确保 CRD 符合 Kubernetes 扩展 API 的最佳实践，请遵循这些约定。这里所提到的所有的最佳实践都在 operator-utils 代码库中，并以可运行的例子体现。在 operator 项目中，也可以将 operator-utils 以 library 的方式导入，以此提供一些有用的工具。

二、创建 watches

正如我们所说，控制器监视资源上的事件，这是通过对手表的抽象来实现的。watch 是一种接收某种类型（核心类型或 CRD）的机制。一般通过指定以下内容来创建 watch 机制：
- 想要 watch 的资源类型；
- handler 将被监视类型上的 events 映射到一个或多个调用协调周期的实例，监视类型和实例类型不必相同；
- predicate 是一组能够过滤 events 且可自定义的函数。
如下记录了以上提及的内容：

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通常来说，同一类型（kind）开启多个 watch 是可行的，因为 watch 是多路复用的。也应该尽可能多地尝试过滤 event，这边有个 predicate 例子，用来过滤 secret 资源上的 event，这里只对类型为 TLS 的 secret 资源 event 感兴趣：

isAnnotatedSecret := predicate.Funcs{
    UpdateFunc: func(e event.UpdateEvent) bool {
        oldSecret, ok := e.ObjectOld.(*corev1.Secret)
        if !ok {
            return false
        }
        newSecret, ok := e.ObjectNew.(*corev1.Secret)
        if !ok {
            return false
        }
        if newSecret.Type != util.TLSSecret {
            return false
        }
        oldValue, _ := e.MetaOld.GetAnnotations()[certInfoAnnotation]
        newValue, _ := e.MetaNew.GetAnnotations()[certInfoAnnotation]
        old := oldValue == "true"
        new := newValue == "true"
        // if the content has changed we trigger if the annotation is there
        if !reflect.DeepEqual(newSecret.Data[util.Cert], oldSecret.Data[util.Cert]) ||
            !reflect.DeepEqual(newSecret.Data[util.CA], oldSecret.Data[util.CA]) {
            return new
        }
        // otherwise we trigger if the annotation has changed
        return old != new
    },
    CreateFunc: func(e event.CreateEvent) bool {
        secret, ok := e.Object.(*corev1.Secret)
        if !ok {
            return false
        }
        if secret.Type != util.TLSSecret {
            return false
        }
        value, _ := e.Meta.GetAnnotations()[certInfoAnnotation]
        return value == "true"
    },
}

一个非常常见的模式是观察创建（和拥有）资源上的 events，并且定期在拥有这些资源的 CR 上执行协调周期 reconcile cycle。为此，可以使用 EnqueueRequestForOwner handler，按照如下方式完成：

err = c.Watch(&source.Kind{Type: &examplev1alpha1.MyControlledType{}}, &handler.EnqueueRequestForOwner{})

另一种不太常用的情况是将一个 events 传播到多个资源上。考虑一种情况，一个控制器注入了 TLS secret 的路由，同一个命名空间中的多个路由可以指向同一个 secret。如果 secret 发生了改变，需要更新所有路由。因此，需要在 secret 类型上创建一种 watch 机制，处理程序如下所示：

type enqueueRequestForReferecingRoutes struct {
        client.Client
}

// trigger a router reconcile event for those routes that reference this secret
func (e *enqueueRequestForReferecingRoutes) Create(evt event.CreateEvent, q workqueue.RateLimitingInterface) {
        routes, _ := matchSecret(e.Client, types.NamespacedName{
                Name:      evt.Meta.GetName(),
                Namespace: evt.Meta.GetNamespace(),
        })
        for _, route := range routes {
                q.Add(reconcile.Request{NamespacedName: types.NamespacedName{
                        Namespace: route.GetNamespace(),
                        Name:      route.GetName(),
                }})
        }
}

// Update implements EventHandler
// trigger a router reconcile event for those routes that reference this secret
func (e *enqueueRequestForReferecingRoutes) Update(evt event.UpdateEvent, q workqueue.RateLimitingInterface) {
        routes, _ := matchSecret(e.Client, types.NamespacedName{
                Name:      evt.MetaNew.GetName(),
                Namespace: evt.MetaNew.GetNamespace(),
        })
        for _, route := range routes {
                q.Add(reconcile.Request{NamespacedName: types.NamespacedName{
                        Namespace: route.GetNamespace(),
                        Name:      route.GetName(),
                }})
        }
}

三、资源 Reconciliation Cycle

协调周期 reconcile cycle 是在被 watch 的 event 传递后框架将控制权转交给我们地方。正如之前所解释的，在该 reconcile cycle 中没有获得相关时间类型的信息，是因为是基于水平触发的方式来工作。
如下是一个管理 CRD 控制器的常见 reconcile cycle 的模型，和其他任何一个模型一样，它不会反映任何特定用例，但希望它将有助于解决编写 operator 时遇到的问题：

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从上图中可以看到，主要步骤是：
- 检索感兴趣的 CR 实例；
- 确认实例的有效性，不会在不合法实例上做任何事情；
- 初始化实例：如果实例的某些值没有被初始化，会在这一步进行处理；
- 判断实例的 deletion 状态，如果实例正在被删除，也需要做一些特殊的清理。
管理控制器的业务逻辑，如果以上步骤均通过，最终可以管理和执行该实例的 reconcile 逻辑，这个逻辑每个控制器都不尽相同。

四、资源验证

这里存在两种类型的校验：
- 语法校验：通过定义 OpenAPI 规则来验证；
- 语义校验：可以通过创建 ValidatingAdmissionConfiguration 来完成。
注意：在控制器中不能校验 CR 合法性，一旦 CR 被 API Server 接受了，它就会存在 Etcd 中，CR 存在 Etcd 之后，管理该 CR 资源的控制器就无法拒绝它，如果这个 CR 是不合法的，控制器在尝试使用或处理它的时候将会发生错误。
推荐：由于不能保证 ValidatingAdmissionConfiguration 被创建或正常工作，还是应该在控制器内部去验证 CR，如果 CR 不合法，应该避免创建无限错误循环。

① 语法校验

可以按照Generating CRD的描述添加 OpenAPI 验证规则。
推荐：尽可能多地为自定义资源模型进行语法校验，尽量使用语法校验，因为它相对简单，并且可以防止格式错误的 CR 存储在 etcd 中。

② 语义校验

语义校验是为了确保字段具有合理的值，从而使整个资源记录是有意义的。语义验证业务逻辑取决于 CR 所代表的概念，并且必须由 operator 的开发人员进行编码实现。
如果给定的 CR 需要语义校验，那么 operator 需要暴露一个 webhook，作为 operator deploymen 的一部分，ValidatingAdmissionConfiguration 也应该被创建。
目前存在的局限性：
- 在 OpenShift 3.11 中，ValidatingAdmissionConfigurations 还处于技术预览阶段（将从 4.1 开始支持）；
- Operator SDK 不支持脚手架形式的 webhook，可以使用 kubebuilder 来进行实现：

kubebuilder webhook --group crew --version v1 --kind FirstMate --type=mutating --operations=create,update

③ 验证控制器中的资源

最好的方式是直接拒绝一个无效的 CR，而不是接受并保存在 Etcd 中，然后对它进行错误条件处理。当然也有可能的情况是，ValidatingAdmissionConfiguration 并没有被部署或者根本不可用，因此在控制器代码中进行语义校验仍然是一个很好的做法，应该做到的是，可以在 ValidatingAdmissionConfiguration 和控制器之间共享这部分结构化的代码。
控制器中调用验证方法的代码如下所示：

if ok, err := r.IsValid(instance); !ok {
    return r.ManageError(instance, err)
}

请注意，如果验证失败，按照错误管理部分中的描述来管理这个错误。IsValid 函数如下：

func (r *ReconcileMyCRD) IsValid(obj metav1.Object) (bool, error) {
    mycrd, ok := obj.(*examplev1alpha1.MyCRD)
 // validation logic
}

五、资源初始化

Kubernetes 的一个很好的惯例是用户只初始化他所需要的资源字段，其他的可以省略。但从编码人员和调试者的角度来说，实际上最好将所有的字段都初始化，这允许在编码的时候不必总是去校验字段是否被定义了，并且可以轻松地排除错误情况。
为了初始化资源，这里有两个选项：
- 在控制器中定义初始化方法；
- 定义一个 MutatingAdmissionConfiguration（类似于 ValidatingAdmissionConfiguration 的程序）；
在控制器中定义一个初始化方法，代码应类似于此示例：

if ok := r.IsInitialized(instance); !ok {
    err := r.GetClient().Update(context.TODO(), instance)
    if err != nil {
        log.Error(err, "unable to update instance", "instance", instance)
        return r.ManageError(instance, err)
    }
    return reconcile.Result{}, nil
}

如果 IsInitialized 方法的结果返回 true，更新 instance 并 return，这将会立即出发另一个 reconcile cycle，第二次调用 IsInitialized 方法将会返回 false，代码逻辑将会执行到下一部分。

① 资源 Finalization

如果资源不属于操作员控制的 CR，但在删除该 CR 时需要采取措施，必须使用 finalizer。终结器提供了一种机制来通知 Kubernetes 控制平面，在执行标准 Kubernetes 垃圾收集逻辑之前需要执行一个操作。资源可以有一个或多个 finalizers，每一个控制器应该管理自己的 finalizer 并且忽略其他的。
管理 finalizers 的伪代码算法：
- 如果需要，在初始化方法中添加 finalizer。
- 当资源被删除，检查此控制器拥有的 finalizer 是否存在。
- - 清理成功，移除 finalizer 并更新 CR；
- - 如果失败决定是重试还是放弃并可能留下垃圾（在某些情况下这是可以接受的）；
- - 如果不存在，直接 return；
- - 如果存在，执行如下清理逻辑：如果清理逻辑需要添加额外的资源，需要记住的是，无法在正在删除的命名空间中创建其他资源，删除命名空间将会触发 finalizer 并删除其下所有资源。
代码如下所示：

if util.IsBeingDeleted(instance) {
    if !util.HasFinalizer(instance, controllerName) {
        return reconcile.Result{}, nil
    }
    err := r.manageCleanUpLogic(instance)
    if err != nil {
        log.Error(err, "unable to delete instance", "instance", instance)
        return r.ManageError(instance, err)
    }
    util.RemoveFinalizer(instance, controllerName)
    err = r.GetClient().Update(context.TODO(), instance)
    if err != nil {
        log.Error(err, "unable to update instance", "instance", instance)
        return r.ManageError(instance, err)
    }
    return reconcile.Result{}, nil
}

② 资源所有权

资源所有权是 Kubernetes 中的原生概念，它决定了资源如何被删除。默认情况下，当一个资源被删除的时候，它的子资源也也会被删除（可以设置 cascade=false 来关闭这种行为）。这种行为有助于确保资源的正确垃圾收集，尤其是当资源控制多级层次结构中的其他资源时（deployment-> repilcaset->pod）。
建议：如果控制器创建资源并且它的生命周期与其他资源（kubernetes 核心资源或其他 CR）有关联，那么应该将此资源设置为其他资源的所有者，如下所示：

controllerutil.SetControllerReference(owner, obj, r.GetScheme())

有关所有权的其他规则如下：
- 父子资源必须位于同一命名空间中；
- 命名空间资源可以拥有集群资源，一个对象可以有一个所有者列表，如果多个命名空间对象拥有相同的集群资源，则每个对象都应声明所有权，而不会覆盖其他对象的所有权；
- 集群资源不能拥有命名空间资源；
- 集群资源可以拥有另外一个集群资源。

六、状态管理

Status 是资源的一个标准部分，被用于报告资源的状态。在这里将使用 status 报告最后一次执行协调循环的结果，也可以在 Status 中添加更多的信息。
在正常情况下，如果每次执行 reconcile cycle 的时候都要更新资源，这将触发更新时间，进而导致无限触发 reconcile cycle。因此，正如上面描述的那样，应该把 Status 作为子资源。使用这种方法，能够不增加 ResourceGeneration 元数据域的情况下更新资源的状态。
使用如下命令更新状态：

err = r.Status().Update(context.Background(), instance)

现在需要为 watch 机制写一个 predicate，用来丢弃不增加 ResourceGeneration 的更新事件，可以使用 GenerationChangePredicate 来完成此功能。上文提到过，在使用 finalizer 的时候，应该在初始化的时候设置，如果 finalizer 是初始化的唯一项，由于它是元数据项的一部分，因此 ResourceGeneration 不会递增。
为了说明该用例，以下是 predicate 的修改版本：

type resourceGenerationOrFinalizerChangedPredicate struct {
 predicate.Funcs
}

// Update implements default UpdateEvent filter for validating resource version change
func (resourceGenerationOrFinalizerChangedPredicate) Update(e event.UpdateEvent) bool {
 if e.MetaNew.GetGeneration() == e.MetaOld.GetGeneration() && reflect.DeepEqual(e.MetaNew.GetFinalizers(), e.MetaOld.GetFinalizers()) {
  return false
 }
 return true
}

假设 status 如下所示：

type MyCRStatus struct {
 // +kubebuilder:validation:Enum=Success,Failure
 Status     string      `json:"status,omitempty"`
 LastUpdate metav1.Time `json:"lastUpdate,omitempty"`
 Reason     string      `json:"reason,omitempty"`
}

可以写一个函数来管理并保证 reconcile cycle 成功执行：

func (r *ReconcilerBase) ManageSuccess(obj metav1.Object) (reconcile.Result, error) {
 runtimeObj, ok := (obj).(runtime.Object)
 if !ok {
  log.Error(errors.New("not a runtime.Object"), "passed object was not a runtime.Object", "object", obj)
  return reconcile.Result{}, nil
 }
 if reconcileStatusAware, updateStatus := (obj).(apis.ReconcileStatusAware); updateStatus {
  status := apis.ReconcileStatus{
   LastUpdate: metav1.Now(),
   Reason:     "",
   Status:     "Success",
  }
  reconcileStatusAware.SetReconcileStatus(status)
  err := r.GetClient().Status().Update(context.Background(), runtimeObj)
  if err != nil {
   log.Error(err, "unable to update status")
   return reconcile.Result{
    RequeueAfter: time.Second,
    Requeue:      true,
   }, nil
  }
 } else {
  log.Info("object is not RecocileStatusAware, not setting status")
 }
 return reconcile.Result{}, nil
}

七、错误管理

如果控制器进入了一个错误条件，并且在 reconcile 方法中返回了一个错误，operator 将会打印错误日志到标准输出，reconlie event 将会立即再次调度（默认的调度器实际上应该检测是否一遍又一遍地出现相同的错误，并增加相应的调度时间，以经验看来，这并没有发生）。如果错误一直存在，那么也将永远存在错误循环，而且这个错误条件对用户来说是不可见的。
有两种方法可以通知用户发生了错误，它们可以同时使用：
- 在对象的 status 字段中返回错误；
- 生成一个 event 描述错误。
此外，如果错误能够自解决，应该在一段周期时间后重新调度 reconcile cycle。通常来说，周期时间是呈指数增长的，因此在每次迭代中，reconcile event 周期会越来越长（例如每次增长时间量的两倍）。
现在构建状态管理来处理错误条件：

func (r *ReconcilerBase) ManageError(obj metav1.Object, issue error) (reconcile.Result, error) {
    runtimeObj, ok := (obj).(runtime.Object)
    if !ok {
        log.Error(errors.New("not a runtime.Object"), "passed object was not a runtime.Object", "object", obj)
        return reconcile.Result{}, nil
    }
    
    var retryInterval time.Duration
    r.GetRecorder().Event(runtimeObj, "Warning", "ProcessingError", issue.Error())
    if reconcileStatusAware, updateStatus := (obj).(apis.ReconcileStatusAware); updateStatus {
        lastUpdate := reconcileStatusAware.GetReconcileStatus().LastUpdate.Time
        lastStatus := reconcileStatusAware.GetReconcileStatus().Status
        status := apis.ReconcileStatus{
            LastUpdate: metav1.Now(),
            Reason:     issue.Error(),
            Status:     "Failure",
        }

        reconcileStatusAware.SetReconcileStatus(status)
        err := r.GetClient().Status().Update(context.Background(), runtimeObj)
        if err != nil {
            log.Error(err, "unable to update status")
            return reconcile.Result{
                RequeueAfter: time.Second,
                Requeue:      true,
            }, nil
        }

        if lastUpdate.IsZero() || lastStatus == "Success" {
            retryInterval = time.Second
        } else {
            retryInterval = status.LastUpdate.Sub(lastUpdate).Round(time.Second)
        }
    } else {
        log.Info("object is not RecocileStatusAware, not setting status")
        retryInterval = time.Second
    }

    return reconcile.Result{
        RequeueAfter: time.Duration(math.Min(float64(retryInterval.Nanoseconds()*2), float64(time.Hour.Nanoseconds()*6))),
        Requeue:      true,
    }, nil
}