Kubernetes中鎖機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
資源鎖是通過一個(gè)資源的CRUD操作，然后配合分布式鎖的一些機(jī)制來完成，分布式環(huán)境中Leader節(jié)點(diǎn)的選舉，今天我們來臆測(cè)下K8s里面是如何基于configMap來實(shí)現(xiàn)的吧。
面向終態(tài)的鎖基礎(chǔ)篇
在分布式系統(tǒng)中通常由各種各樣的鎖，我們先來看下，主流的鎖里面有哪些共性，以及是如何進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
分布式系統(tǒng)中的鎖
在分布式系統(tǒng)中鎖有很多種實(shí)現(xiàn)方式： 基于CP模型的、基于AP模型的 ，但是這些鎖機(jī)制都有一些通用的設(shè)計(jì)原則，接下來我們先看下這部分。
1. 鎖憑證
鎖憑證主要來證明誰(shuí)持有鎖，不同系統(tǒng)里面的實(shí)現(xiàn)各不相同，比如在zookeeper中是臨時(shí)順序節(jié)點(diǎn)，而在redission中則是通過uuid+threadID組成，而K8s中則是LeaderElectionRecord, 通過該憑證來識(shí)別當(dāng)前是哪個(gè)客戶端加的鎖。
2. 鎖超時(shí)
當(dāng)有l(wèi)eader節(jié)點(diǎn)持有鎖之后，其余的節(jié)點(diǎn)就需要嘗試競(jìng)爭(zhēng)鎖，在CP系統(tǒng)中通常會(huì)由服務(wù)端進(jìn)行維護(hù)，即如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)沒有心跳，則會(huì)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的踢出，并且通過watch這種機(jī)制進(jìn)行回調(diào)，而在AP系統(tǒng)中則需要客戶端自己維護(hù)，比如redission里面的時(shí)間戳。
3. 時(shí)鐘
在分布式系統(tǒng)中通常我們無(wú)法保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理時(shí)鐘完全一致，通常就會(huì)有一個(gè)邏輯時(shí)鐘的概念，在很多系統(tǒng)中比如raft和zab中其實(shí)就是一個(gè)遞增的全局計(jì)數(shù)器，但是在redission中則是通過物理時(shí)鐘，即需要保證大家的物理時(shí)鐘盡可能同步，不能超過鎖超時(shí)的時(shí)間。
網(wǎng)絡(luò)分區(qū)問題
無(wú)論是CP還是AP，在分布式系統(tǒng)中通常我們都要保證P即分區(qū)可用性，那如果持有鎖的Leader節(jié)點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的情況，則需要一種保護(hù)機(jī)制，即Leader節(jié)點(diǎn)需要主動(dòng)退出。
在zookeeper中因?yàn)閘eader節(jié)點(diǎn)需要通過session來進(jìn)行心跳的維護(hù)，如果說對(duì)應(yīng)的leader節(jié)點(diǎn)發(fā)生分區(qū)，則session就無(wú)法進(jìn)行心跳的發(fā)生，就會(huì)退出，就需要通知我們的主流程來進(jìn)行退出清理工作。
資源鎖的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
資源鎖其實(shí)就是可以通過操作一個(gè)資源(順序一致性)，借助前面說的鎖的思想來實(shí)現(xiàn)分布式鎖，其首先核心流程如下：
通過資源對(duì)象來存儲(chǔ)鎖憑證信息
即將標(biāo)識(shí)當(dāng)前Leader節(jié)點(diǎn)的信息放入到對(duì)應(yīng)的憑證里面，并嘗試進(jìn)行鎖競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)行鎖的獲取的嘗試。
鎖超時(shí)
K8s的鎖超時(shí)的機(jī)制比較有趣，即他并不關(guān)心你的邏輯時(shí)鐘，而是以本地時(shí)鐘為準(zhǔn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)觀測(cè)到leader節(jié)點(diǎn)變更的時(shí)間，然后根據(jù)本地的鎖超時(shí)時(shí)間來檢測(cè)，是否重新發(fā)起leader的競(jìng)爭(zhēng)。
核心源碼剖析
因?yàn)槠蜻@里只介紹基于configMap的resourceLock, 其他的都大同小異。
LeaderElectionRecord
在我的理解上這個(gè)數(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，才是真正的那把鎖(就好像生活中我們可以隨便買把鎖，鎖各種門)。通過這個(gè)鎖屏蔽底層的各種鎖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，但注意這把鎖并不是嚴(yán)格的分布式互斥鎖。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在鎖的實(shí)現(xiàn)中，數(shù)據(jù)主要分為三類：身份憑證、時(shí)間戳、全局計(jì)數(shù)器，然后我們依次來看猜下對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)思路。
- type LeaderElectionRecord struct {
- HolderIdentity string `json:"holderIdentity"`
- LeaseDurationSeconds int `json:"leaseDurationSeconds"`
- AcquireTime metav1.Time `json:"acquireTime"`
- RenewTime metav1.Time `json:"renewTime"`
- LeaderTransitions int `json:"leaderTransitions"`
- }
身份憑證：HolderIdentity
身份憑證主要是用于標(biāo)識(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，在一些分布式協(xié)調(diào)系統(tǒng)中通常都是系統(tǒng)自帶的機(jī)制，比如zookeeper中的session, 在此處資源鎖的場(chǎng)景下，主要是為了用于后續(xù)流程里驗(yàn)證當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否獲取到鎖。
時(shí)間戳：LeaseDurationSeconds、AcquireTime、RenewTime
因?yàn)橹罢f的時(shí)間同步的問題，這里的時(shí)間相關(guān)的主要是用于leader節(jié)點(diǎn)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)變更來使用(Lease類型也在使用)，非Leader節(jié)點(diǎn)則根據(jù)當(dāng)前記錄是否變更來檢測(cè)leader節(jié)點(diǎn)是否存活。
- LeaderTransitions
計(jì)數(shù)器主要就是通過計(jì)數(shù)來記錄leader節(jié)點(diǎn)切換的次數(shù)。
ConfigMapLock
所謂的資源鎖其實(shí)就是通過創(chuàng)建一個(gè)ConfigMap實(shí)例來保存我們的鎖信息，并通過這個(gè)實(shí)例信息的維護(hù)，來實(shí)現(xiàn)鎖的競(jìng)爭(zhēng)和釋放。
1. 創(chuàng)建鎖
通過利用etcd的冪等性操作，可以保證同時(shí)只會(huì)有一個(gè)leader節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鎖創(chuàng)建成功，并且通過Annotations來提交上面說的LeaderElectionRecord來進(jìn)行鎖的提交。
- func (cml *ConfigMapLock) Create(ler LeaderElectionRecord) error {
- cml.cm, err = cml.Client.ConfigMaps(cml.ConfigMapMeta.Namespace).Create(&v1.ConfigMap{
- ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
- Name: cml.ConfigMapMeta.Name,
- Namespace: cml.ConfigMapMeta.Namespace,
- Annotations: map[string]string{
- LeaderElectionRecordAnnotationKey: string(recordBytes),
- },
- },
- })
- return err
- }
2. 獲取鎖
- func (cml *ConfigMapLock) Get() (*LeaderElectionRecord, []byte, error) {
- cml.cm, err = cml.Client.ConfigMaps(cml.ConfigMapMeta.Namespace).Get(cml.ConfigMapMeta.Name, metav1.GetOptions{})
- recordBytes, found := cml.cm.Annotations[LeaderElectionRecordAnnotationKey]
- if found {
- if err := json.Unmarshal([]byte(recordBytes), &record); err != nil {
- return nil, nil, err
- }
- }
- return &record, []byte(recordBytes), nil
- }
3. 更新鎖
- func (cml *ConfigMapLock) Update(ler LeaderElectionRecord) error {
- cml.cm.Annotations[LeaderElectionRecordAnnotationKey] = string(recordBytes)
- cml.cm, err = cml.Client.ConfigMaps(cml.ConfigMapMeta.Namespace).Update(cml.cm)
- return err
- }
LeaderElector
LeaderElector的核心流程分為三部分：競(jìng)爭(zhēng)鎖、超時(shí)檢測(cè)、心跳維護(hù)，首先所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)進(jìn)行資源鎖的競(jìng)爭(zhēng)，但是最終只會(huì)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為L(zhǎng)eader節(jié)點(diǎn)， 然后核心流程就會(huì)按照角色分成兩個(gè)主流程, 讓我們一起來看下其實(shí)現(xiàn)。
1. 核心流程
如果節(jié)點(diǎn)沒有acquire成功則會(huì)一直進(jìn)行嘗試，直至取消或者競(jìng)選成功，而leader節(jié)點(diǎn)則會(huì)執(zhí)行成為 leader節(jié)點(diǎn)的回調(diào)(補(bǔ)充基于leader的zookeeper的實(shí)現(xiàn)機(jī)制)
- func (le *LeaderElector) Run(ctx context.Context) {
- defer func() {
- runtime.HandleCrash()
- le.config.Callbacks.OnStoppedLeading()
- }()
- if !le.acquire(ctx) { // 精選鎖
- return // ctx signalled done
- }
- // 如果鎖競(jìng)選成功，則leader節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行剩余流程，而非leader節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)嘗試acquire
- ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
- defer cancel()
- go le.config.Callbacks.OnStartedLeading(ctx)
- le.renew(ctx)
- }
2. 鎖的續(xù)約
如果競(jìng)選為leader節(jié)點(diǎn)，則就需要進(jìn)行鎖的續(xù)約操作，就是通過調(diào)用上面提到的更新鎖的操作來，周期性的更新鎖記錄信息即LeaderElectionRecord，從而達(dá)到續(xù)約的目標(biāo)。
- 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)
- // 鎖的續(xù)約
- done <- le.tryAcquireOrRenew()
- }()
- select {
- case <-timeoutCtx.Done():
- return false, fmt.Errorf("failed to tryAcquireOrRenew %s", timeoutCtx.Err())
- case result := <-done:
- return result, nil
- }
- }, timeoutCtx.Done())
- cancel()
- }, le.config.RetryPeriod, ctx.Done())
- // if we hold the lease, give it up
- if le.config.ReleaseOnCancel {
- // 釋放鎖
- le.release()
- }
- }
3. 鎖的釋放
鎖的釋放則比較好玩，就是更新對(duì)應(yīng)的資源，去掉annotations里面的信息，這樣在獲取鎖的時(shí)候，因?yàn)闄z測(cè)到當(dāng)前資源沒有被任何憑證信息，就會(huì)嘗試進(jìn)行競(jìng)選。
- func (le *LeaderElector) release() bool {
- if !le.IsLeader() {
- return true
- }
- leaderElectionRecord := rl.LeaderElectionRecord{
- LeaderTransitions: le.observedRecord.LeaderTransitions,
- }
- if err := le.config.Lock.Update(leaderElectionRecord); err != nil {
- klog.Errorf("Failed to release lock: %v", err)
- return false
- }
- le.observedRecord = leaderElectionRecord
- le.observedTime = le.clock.Now()
- return true
- }
4. 鎖的競(jìng)爭(zhēng)
鎖的競(jìng)爭(zhēng)整體分為四個(gè)部分: 1)獲取鎖 2)創(chuàng)建鎖 3)檢測(cè)鎖 4)更新鎖，下面來依次看下對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。
獲取鎖
首先會(huì)嘗試獲取對(duì)應(yīng)的鎖，在獲取鎖中會(huì)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的annotations中是否存在，如果不存在則oldLeaderElectionRecord就為空，即當(dāng)前資源鎖沒有被人持有。
- oldLeaderElectionRecord, oldLeaderElectionRawRecord, err := le.config.Lock.Get()
創(chuàng)建鎖
如果檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的鎖不存在，則就會(huì)直接進(jìn)行鎖的創(chuàng)建，如果創(chuàng)建成功則表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)獲取鎖，則就成為leader，執(zhí)行l(wèi)eader的回調(diào)邏輯。
- if err != nil {
- if !errors.IsNotFound(err) {
- klog.Errorf("error retrieving resource lock %v: %v", le.config.Lock.Describe(), err)
- return false
- }
- // 創(chuàng)建鎖
- if err = le.config.Lock.Create(leaderElectionRecord); err != nil {
- klog.Errorf("error initially creating leader election record: %v", err)
- return false
- }
- // 記錄當(dāng)前的選舉記錄，還有時(shí)鐘
- le.observedRecord = leaderElectionRecord
- le.observedTime = le.clock.Now()
- return true
- }
檢查鎖
在K8s里面并沒有使用邏輯時(shí)鐘而是使用本地時(shí)間，通過對(duì)比每次鎖憑證是否更新，來進(jìn)行本地observedTime的更新，如果leader沒有在LeaseDuration內(nèi)來更新對(duì)應(yīng)的鎖憑證信息，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)就會(huì)嘗試成為leader。
同時(shí)這里還會(huì)保障最終的一致性鎖，因?yàn)楹罄m(xù)的renew其實(shí)也是走的這個(gè)邏輯，如果說當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最開始持有鎖，但是被別的節(jié)點(diǎn)搶占，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)讓出鎖。
- if !bytes.Equal(le.observedRawRecord, oldLeaderElectionRawRecord) {
- le.observedRecord = *oldLeaderElectionRecord
- le.observedRawRecord = oldLeaderElectionRawRecord
- le.observedTime = le.clock.Now() // 此處更新的是本地的時(shí)鐘
- }
- if len(oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity) > 0 &&
- le.observedTime.Add(le.config.LeaseDuration).After(now.Time) &&
- !le.IsLeader() {
- // 如果當(dāng)前Leader任期沒有超時(shí)，則當(dāng)前競(jìng)選鎖失敗
- klog.V(4).Infof("lock is held by %v and has not yet expired", oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity)
- return false
- }
更新鎖
核心邏輯其實(shí)就是Lock.Update這個(gè)地方，設(shè)計(jì)的比較有意思，不同于強(qiáng)一致性的鎖，在K8s中我們可以同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)都走到這里，但是因?yàn)楦耬tcd是一個(gè)原子的操作，最終只會(huì)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)更新成功，那如何保證最終的鎖的語(yǔ)義呢，其實(shí)就要配合上面的檢測(cè)鎖，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向終態(tài)的最終的鎖機(jī)制。
- if le.IsLeader() {
- leaderElectionRecord.AcquireTime = oldLeaderElectionRecord.AcquireTime
- leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions
- } else {
- leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions + 1
- }
- // update the lock itself
- 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
疑問
回過來看鎖是因?yàn)樽罱谧鱿到y(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，想到的一個(gè)問題。在PAAS系統(tǒng)中通常會(huì)有N多的Operator，那在一些沖突的場(chǎng)景該如何解決呢?比如擴(kuò)縮容、發(fā)布、容災(zāi)這幾個(gè)控制器，如果要操作同一個(gè)app下面的pod該如何被調(diào)度呢?
其實(shí)我理解這個(gè)流程中是無(wú)法做到各種完美cover各種異常沖突的，但是我們可以玩另外一種有意思的事情，比如我們可以加一個(gè)保護(hù)狀態(tài)，因?yàn)閷?duì)生產(chǎn)穩(wěn)定壓倒一起。即對(duì)應(yīng)的控制器，關(guān)注當(dāng)前的狀態(tài)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果是非穩(wěn)定狀態(tài)，則就應(yīng)該自身凍結(jié)，等當(dāng)前應(yīng)用處于非保護(hù)狀態(tài)再進(jìn)行操作，保證SLA的同時(shí)也不影響各種好玩的操作。
