Kubernetes宣告式API與程式設計正規化

尹瑞星發表於2021-04-04
API程式設計

宣告式API vs 命令時API

計算機系統是分層的，也就是下層做一些支援的工作，暴露介面給上層用。注意：語言的本質是一種介面。

計算機的最下層是CPU指令，其本質就是用“變數定義+順序執行+分支判斷+迴圈”所表達的邏輯過程。計算機應用的最上層是實現人類社會的某種功能。所以所有計算機編碼的過程，就是用邏輯表達現實的過程。層與層之間定義的藉口，越接近現實的表達就叫越“宣告式”（declarative），越接近計算機的執行過程就叫越“命令式”（imperative）。注意這不是絕對的概念，而是相對的概念。

當介面越是在表達“要什麼”，就是越宣告式；越是在表達“要怎樣”，就是越命令式。SQL就是在表達要什麼（資料），而不是表達怎麼弄出我要的資料，所以它就很“宣告式”。C++就比C更宣告式，因為物件導向本身就是一種宣告式的體現。HTML也很宣告式，它只描述我要一張什麼樣的表，並不表達怎麼弄出一張表。

越是宣告式，意味著下層要做更多的東西，或者說能力越強。也意味著效率的損失。越是命令式，意味著上層對下層有更多的操作空間，可以按照自己特定的需求要求下層按照某種方式來處理。

Kubernetes宣告式API

想要使用Kubernetes 的 API 物件，需要編寫一個對應的 YAML 檔案交給 Kubernetes，而宣告式API，則為kubectl apply 命令。而先 kubectl create，再 replace 的操作，稱為命令式配置檔案操作，並不是宣告式API。

kube-apiserver 在響應命令式請求（如kubectl replace）的時候， 一次只能處理一個寫請求，否則會有產生衝突的可能；而對於宣告式請求（如kubectl apply），一次能處理多個寫操作，並且具備 Merge 能力。

宣告式 API是 Kubernetes 專案編排能力“賴以生存”的核心所在：

  • 首先，“宣告式”就是提交一個定義好的API物件來宣告所期望的狀態是什麼

  • 其次，宣告式API允許有多個API寫端，以PATCH的方式對API物件進行修改，而無需關心本地原始YAML檔案的內容

    RESTful 使用POST來建立一個資源，使用PUT或者PATCH來更新一個資源

區別是：
– PUT用來整體更新一個資源，所以請求中必須包含完整的資源資訊。如果缺少部分資訊，會導致這部分資料被更新為NULL。
– PATCH則是部分更新。僅更新提供的欄位，請求中缺少的欄位仍保持不變

  • 最後，也是最重要的，有了上述兩個能力，Kubernetees專案才可以基於對API物件的增、刪、改、查在完全無需外界干預的情況下，完成對“實際狀態”和“期望狀態”的調諧(Reconcile)過程。

工作原理

首先知道一下一個 API 物件在 Etcd 裡的完整資源路徑，是由：Group（API 組）、 Version（API 版本）和 Resource（API 資源型別）三個部分組成的，可以用如下圖的樹形結構表示出來：

在這裡插入圖片描述

API物件的組織方式是層層遞進的，Kubernetes會對Group、Version和Resource進行解析，也就是層層匹配，得到相應的物件定義，如Cronjob（Pod、Node 等核心API物件不需要Group，直接匹配Version）。

把YAML 檔案提交給 Kubernetes 之後，建立出 API 物件的流程：以建立 CronJob為例

  1. 發起建立CronJob的POST請求後，編寫的YAML的資訊就被提交給api-server

  2. Api-server過濾這個請求，完成一些前置性的工作，比如授權、超時處理、審計等

  3. 請求進入mux和routes流程，mux和routees是api-server完成url和handler繫結的場所，api-server的Handler要做的事情就是按照層層匹配的過程，找到對應的CronJob型別定義

  4. Api-server根據crontJob型別定義，使用使用者提交的YAML檔案裡的欄位，建立一個CrontJob物件

    Api-server會進行一個convert工作，即把使用者提交的YAML檔案轉換成一個叫做Super Version的物件，它正是該API資源型別所有版本的欄位全集，這樣使用者提交的不同版本的YAML就都可以用這個Super Version物件來進行處理了

  5. 先後進行admission()和validation()操作

    Admission Controller和Initializer都屬於Admission的內容，Validation負責驗證這個物件裡的各個欄位是否合法，這個被驗證過的API物件，都儲存在來api-server裡一個叫做Registry的資料結構中，也就是說只要一個API物件的定義能在Registry裡查到，他就是一個有效的Kubernetes API物件

  6. 把驗證過的API物件轉換成使用者最初提交的版本，進行序列化操作，並呼叫Etcd的API把它儲存起來

自定義API物件

如果想要新增自定義API資源型別，建議使用CRD（ Custom Resource Definition），它允許使用者在 Kubernetes 中新增一個跟 Pod、Node 類似的、新的 API 資源型別，即：自定義 API 資源。

使用CRD建立出自定義API物件後，就是為這個 API 物件編寫一個自定義控制器（Custom Controller），這樣， Kubernetes 才能根據 自定義 API 物件的“增、刪、改”操作，在真實環境中做出相應的響應。

編寫自定義控制器分為三個過程：編寫 main 函式、編寫自定義控制器的定義，以編寫控制器裡的業務邏輯。

自定義控制器工作流程

在這裡插入圖片描述

  1. 首先從 Kubernetes 的 APIServer 裡獲取它所關心的物件，也就是自定義的控制器物件。這個操作，依靠的是一個叫作 Informer（通知器）的程式碼庫完成的；Informer 與 API 物件是一一對應的，所以需要傳遞給自定義控制器一個Informer；

    Informer是一個帶有本地快取和索引機制的、可以註冊EventHandler 的 client。它是自定義控制器跟 APIServer 進行資料同步的重要元件。

    建立Informer的時候需要傳一個Client，Informer 正是使用Client，跟 APIServer 建立了連線；真正負責維護這個連線的是 Informer 所使用的 Reflector 包。

    Reflector 使用的是一種叫作ListAndWatch的方法，來“獲取”並“監聽”這些API物件例項的變化（Informer通過 ListAndWatch，把 APIServer 中的 API 物件快取在了本地，並負責更新和維護這個快取。）在 ListAndWatch 機制下，一旦 APIServer 端有新的API物件例項被建立、刪除或者更新， Reflector 都會收到“事件通知”；這時，該事件及它對應的 API 物件這個組合，就被稱為增量 （Delta），它會被放進一個 Delta FIFO Queue（即：增量先進先出佇列）中；Informe 會不斷地從 Delta FIFO Queue 裡讀取（Pop）增量。每拿到一個增量，Informer 就會判斷這個增量裡的事件型別，然後建立或者更新本地物件的快取；這個快取，在 Kubernetes 裡一般被叫作 Store

    Informer 的第二個職責，則是根據這些事件的型別，觸發事先註冊好的 ResourceEventHandler；
    這些 Handler，需要在建立控制器的時候註冊給它對應的 Informer。

  2. Informer 與要編寫的控制迴圈之間，則使用了一個工作佇列來進行協同，防止控制迴圈執行過慢把Informer拖死。

  3. 接下來就是熟悉的控制迴圈的邏輯了

參考連結：

https://www.zhihu.com/question/22285830/answer/469177185

https://www.pianshen.com/article/40791568713/

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