序言

在你想要放弃的时候，想想是什么让你当初坚持走到了这里。

Kubernetes (k8s) 是一个容器编排平台，允许在容器中运行应用程序和服务。今天学习一下有状态服务。

有状态服务是一种特殊类型的服务，它们需要保持数据的状态，以确保可靠性和一致性。在 Kubernetes 中，有状态服务通常是指需要持久化数据存储的服务，如数据库服务。

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1 基本介绍

在 Kubernetes 中，有状态服务可以使用 StatefulSet 来进行部署和管理。

StatefulSet 可以确保有状态服务的有序部署和缩放，并在节点失败时自动重新启动实例。

与 Deployment 不同，StatefulSet 提供了稳定的网络标识符和稳定的存储卷名称，以确保有状态服务在重新调度后仍能够保持其身份和数据。

以下是有状态服务在 Kubernetes 中的一些重要概念和实践：

Headless Service：Headless Service 是一种没有 Cluster IP 的 Service，它提供了一个稳定的 DNS 记录，以便有状态服务可以通过 DNS 查找彼此。Headless Service 通常与 StatefulSet 配合使用，以确保每个 Pod 都有唯一的 DNS 记录和稳定的网络标识符。

PersistentVolume：PersistentVolume 是一种 Kubernetes 资源，它表示一个持久化存储卷。有状态服务通常使用 PersistentVolume 来持久化存储数据。

StatefulSet：StatefulSet 是一种 Kubernetes 资源，用于部署有状态服务。StatefulSet 可以确保有序部署和缩放，并在节点故障时自动重新启动实例。StatefulSet 还提供了稳定的网络标识符和稳定的存储卷名称，以确保有状态服务在重新调度后仍能够保持其身份和数据。

Init Containers：Init Containers 是一种特殊类型的容器，它们在应用程序容器启动之前运行，并可以执行一些初始化任务，例如创建数据库或检查数据完整性。有状态服务通常使用 Init Containers 来进行一些必要的初始化操作。

总之，在 Kubernetes 中管理有状态服务需要使用一些特定的概念和实践，例如 Headless Service、PersistentVolume、StatefulSet 和 Init Containers。

这些工具和实践可以确保有状态服务的可靠性和一致性，并使其在节点故障和重新调度时能够正确地恢复和保持状态。

2 使用介绍

2.1 Headless Service

Headless Service 是 Kubernetes 中的一种服务类型，它不会分配 Cluster IP，并且不会进行负载均衡。

相反，它返回与服务中的每个端点相对应的 DNS 记录，这些记录可以用于直接访问这些端点。

Headless Service 通常用于需要直接与 Pod 进行通信的情况，例如 StatefulSet。

下面是一个使用 Headless Service 的示例代码：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-headless-service # 
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 8080
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: my-statefulset
spec:
  serviceName: my-headless-service
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
        - name: my-container
          image: my-image
          ports:
            - containerPort: 8080
          env:
            - name: MY_POD_NAME
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: metadata.name

在上述示例中，定义了一个 Headless Service，名为 my-headless-service，并将其设置为 clusterIP: None，这样它就不会分配 Cluster IP。
然后，定义了一个 StatefulSet，名为 my-statefulset，并指定了 serviceName: my-headless-service，这意味着 StatefulSet 将使用我们定义的 Headless Service。
还指定了 replicas: 3，这意味着我们将有三个 Pod。每个 Pod 包含一个名为 my-container 的容器，该容器使用名为 my-image 的映像，并公开端口 8080。
还将 MY_POD_NAME 环境变量设置为 Pod 的名称，以便容器可以使用该名称来识别自己。
这是一个基本的 Headless Service 示例，当访问服务时，它将返回每个 Pod 的 DNS 记录，可以使用这些记录来直接访问每个 Pod。

2.2 PersistentVolume

PersistentVolume (PV)是 Kubernetes 中的一种资源对象，用于将存储系统的抽象层提升到Kubernetes平台上

它提供了一种独立于 Pod 的方式来管理和使用存储资源，以使应用程序在不同的节点上运行时能够使用相同的存储资源，使得 Pod 可以在多个节点之间移动而不会丢失数据。

以下是一个使用 PersistentVolume 的示例：

PersistentVolume提供了一种抽象机制，用于将存储资源分配给应用程序，而无需关心底层存储系统的细节。

下面是一个PersistentVolume的示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume #资源类型
metadata:
  name: pv-nfs
spec:
  storageClassName: nfs-storage
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  nfs:
    path: /mnt/data
    server: nfs.example.com

在这个示例中，创建了一个名为pv-nfs的PersistentVolume对象，它使用了nfs-storage存储类。

它有一个10GB的存储容量，可以同时被多个节点以读写方式访问。底层存储是一个NFS服务器，挂载点为/mnt/data。

接下来是一个使用PersistentVolume的示例Deployment：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment #资源类型
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      volumes:
        - name: nginx-persistent-storage
          persistentVolumeClaim:
            claimName: nginx-pvc
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:latest
          ports:
            - containerPort: 80
          volumeMounts:
            - name: nginx-persistent-storage
              mountPath: /usr/share/nginx/html

在这个示例中，创建了一个名为nginx-deployment的Deployment对象，它有三个副本。

这个Deployment对象使用了一个名为nginx-pvc的PersistentVolumeClaim对象。

Deployment中的Pod可以通过名为nginx-persistent-storage的卷来访问该PersistentVolumeClaim。Pod中的容器使用了这个卷，并将它挂载到容器的/usr/share/nginx/html目录中。

最后，下面是一个PersistentVolumeClaim的示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim #资源类型
metadata:
  name: nginx-pvc
spec:
  storageClassName: nfs-storage
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

在这个示例中，创建了一个名为nginx-pvc的PersistentVolumeClaim对象，它使用了nfs-storage存储类。它请求10GB的存储空间，并且可以同时被多个节点以读写方式访问。

以上是PersistentVolume的示例和使用方式，通过这些示例，你可以了解到如何在Kubernetes中使用PersistentVolume资源对象。

2.3 StatefulSet

StatefulSet是Kubernetes中的一种资源对象，用于管理有状态应用程序的部署。与Deployment等其他部署对象不同，StatefulSet提供了有状态应用程序所需的唯一标识符和稳定的网络标识符。

以下是一个StatefulSet的示例，用于运行一个具有持久化存储的MySQL数据库。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet #资源类型
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "password"
        ports:
        - containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: mysql-persistent-storage
          mountPath: /var/lib/mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: mysql-persistent-storage
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

让我们逐个解释上面的代码：

apiVersion：指定使用的Kubernetes API版本。
kind：指定要创建的资源类型。
metadata.name：为StatefulSet指定唯一的名称。
spec.serviceName：为StatefulSet中所有Pods指定唯一的服务名称，以便其他应用程序可以通过DNS解析器访问它们。
spec.replicas：指定要创建的Pod副本数。
spec.selector：指定要部署的Pod的标签。
spec.template：为要部署的Pod定义一个模板。
spec.template.metadata.labels：为Pod定义标签，这些标签将用于将Pod与StatefulSet相关联。
spec.template.spec.containers：为要部署的容器定义一个列表。
spec.template.spec.containers.name：为容器指定一个名称。
spec.template.spec.containers.image：指定要使用的容器映像。
spec.template.spec.containers.env：定义容器的环境变量。
spec.template.spec.containers.ports：为容器指定要公开的端口。
spec.template.spec.containers.volumeMounts：定义要将持久卷挂载到容器的路径。
volumeClaimTemplates：为每个Pod创建一个持久卷声明，这些声明将指向上面定义的PersistentVolumeClaim（PVC）。

总的来说，以上示例中定义了一个MySQL StatefulSet，它包括3个Pods，每个Pod都挂载了一个10GB的持久卷，用于存储MySQL数据库。这些Pods具有唯一的名称（例如，mysql-0，mysql-1，mysql-2），并具有稳定的网络标识符（例如，mysql-0.mysql，mysql-1.mysql，mysql-2.mysql），使它们可以轻松地与其他应用程序进行通信。

2.4 Init Containers

Kubernetes (k8s) Init Containers是一种特殊类型的容器，它们用于在Pod中的主容器启动之前执行一些初始化任务。这些初始化任务可以包括预装软件、下载数据、初始化数据库等操作。

Init Containers会按照定义的顺序运行，并且只有在每个Init容器完成其任务后才会继续启动主容器。

这使得Kubernetes可以更好地控制和管理容器应用程序的生命周期和依赖关系。

下面是一个Init容器的示例定义：

apiVersion: v1
kind: Pod #资源类型
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: main-container
      image: nginx:latest
  initContainers:
    - name: init-myservice
      image: busybox:latest
      command: ['sh', '-c', 'until nslookup myservice; do echo waiting for myservice; sleep 2; done;']

在这个示例中，定义了一个Pod，其中包含一个名为main-container的容器和一个名为init-myservice的Init容器。

Init容器使用busybox镜像，并使用命令nslookup检查名为myservice的服务是否可以解析。

如果它无法解析，它将等待2秒钟并重试，直到成功为止。一旦Init容器完成它的任务，Kubernetes将继续启动主容器。

Init容器的代码示例如下：

apiVersion: v1
kind: Pod #资源类型
metadata:
  name: mypod
spec:
  initContainers:
    - name: init-myservice
      image: busybox:latest
      command: ['sh', '-c', 'until nslookup myservice; do echo waiting for myservice; sleep 2; done;']
    - name: init-mydbservice
      image: busybox:latest
      command: ['sh', '-c', 'until nc -zv mydb 3306; do echo waiting for mydb; sleep 2; done;']
  containers:
    - name: main-container
      image: nginx:latest

在这个示例中，定义了两个Init容器：init-myservice和init-mydbservice。

第一个容器检查是否可以解析myservice服务，
第二个容器检查是否可以连接到mydb数据库的3306端口。

一旦两个Init容器都完成它们的任务，Kubernetes将继续启动主容器。

3 问题

思考一下这几个问题：

什么是有状态服务？如何与无状态服务区分开来？
有哪些常见的有状态服务？它们的特点是什么？
如何在 Kubernetes 中管理有状态服务？
如何进行有状态服务的伸缩？
如何实现有状态服务的高可用性？
如何进行有状态服务的备份和恢复？
如何进行有状态服务的数据持久化？
如何进行有状态服务的版本控制和滚动升级？
如何进行有状态服务的监控和故障排查？
有没有使用过 StatefulSet，能介绍一下它的特点和用法？