基于k8s Deployment的弹性扩缩容及滚动发布机制详解

k8s第一个重要设计思想：控制器模式。k8s里第一个控制器模式的完整实现：Deployment。它实现了k8s一大重要功能：Pod的“水平扩展/收缩”（horizontal scaling out/in）。该功能从PaaS时代开始就是一个平台级项目必备编排能力。

若你更新了Deployment的Pod模板（如修改容器的镜像），则Deployment就需遵循“滚动更新”（rolling update），来升级现有容器。

该能力的实现，依赖k8s一个很重要的概念（API对象）：

1 ReplicaSet

// ReplicaSet ensures that a specified number of pod replicas are running at any given time.
type ReplicaSet struct {
	metav1.TypeMeta
	// +optional
	metav1.ObjectMeta

	// Spec defines the desired behavior of this ReplicaSet.
	// +optional
	Spec ReplicaSetSpec

	// Status is the current status of this ReplicaSet. This data may be
	// out of date by some window of time.
	// +optional
	Status ReplicaSetStatus
}

ReplicaSet结构简单，可通过YAML查看：

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: nginx-set
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9

一个ReplicaSet对象组成：

• 副本数目的定义
• 一个Pod模板

其定义就是Deployment的一个子集。Deployment控制器实际操纵的，正是这样的ReplicaSet对象，而非Pod对象。

对一个Deployment所管理的Pod，其ownerReference是谁？就是ReplicaSet。

2 案例

如下Deployment（常用的nginx-deployment）：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
	# 定义Pod副本的个数
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

具体实现上，该Deployment与ReplicaSet及Pod的关系：

一个定义了replicas=3的Deployment，与它的ReplicaSet及Pod的关系，是“层层控制”关系。

ReplicaSet负责通过“控制器模式”，保证系统中Pod个数永远=指定个数。这也是Deployment只许容器的restartPolicy=Always主要原因：只有在容器能保证自己始终是Running态的前提，ReplicaSet调整Pod个数才有意义。

Deployment同样通过“控制器模式”操作ReplicaSet的个数和属性，实现如下编排：

• 水平扩展/收缩
• 滚动更新

3 水平扩展/收缩

Deployment Controller只需修改所控制的ReplicaSet的Pod副本个数。

如把值从3改到4，那Deployment所对应的ReplicaSet，就会根据修改后的值自动创建一个新Pod，即“水平扩展”；“水平收缩”则反之。

$ kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=4
deployment.apps/nginx-deployment scaled

FAQ

如果水平收缩的过程中，某个pod中的容器有正在运行的业务，而业务如果中断的话可能会导致数据库数据出错，该怎么办？如何保证把pod的业务执行完再收缩？

业务需要优雅处理sig term。

scale down时，k8s是对pod里的容器发送kill 信号吗？所以应用需要处理好这个信号？

先term 再kill。需要处理。如果有prestop，先执行prestop。再发term，graceperiod到了后发kill。收到term后应用就要graceful stop了，处理完老的请求，不再接受新的请求。

4 滚动更新

先创建该nginx-deployment：

$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml --record

–record参数：记录每次操作所执行的命令。

检查nginx-deployment创建后的状态信息：

$ kubectl get deployments

4.1 状态字段

① DESIRED

用户期望的Pod副本个数（spec.replicas值）

② CURRENT

当前处Running态的Pod的个数

③ UP-TO-DATE

当前处最新版本的Pod的个数。最新版本：Pod的Spec部分与Deployment里Pod模板里定义一致

④ AVAILABLE

当前已可用的Pod的个数，即：既是Running态，又是最新版本，且已处于Ready（健康检查正确）态的Pod的个数。

可见，只有AVAILABLE描述的才是用户期望的最终状态。而k8s提供一条指令，可实时查看Deployment对象状态变化

4.2 kubectl rollout status

$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
deployment.apps/nginx-deployment successfully rolled out

“2 out of 3 new replicas have been updated”即已有2个Pod进入UP-TO-DATE态。

稍后，就能看到该Deployment的3个Pod都进入AVAILABLE态：

NAME               DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   3         3         3            3           20s

查看该Deployment所控制的ReplicaSet：

$ kubectl get rs

在用户提交一个Deployment对象后，Deployment Controller就会立即创建一个Pod副本个数为3的ReplicaSet。该ReplicaSet名字=Deployment名字+一个随机字符串。

这随机字符串是pod-template-hash，该例里就是：7759cfdc55。ReplicaSet会把该随机字符串加在它所控制的所有Pod标签，保证这些Pod不会和集群里其他Pod混淆。

而ReplicaSet的DESIRED、CURRENT和READY字段含义和Deployment一致。所以，相比之下，Deployment只是在ReplicaSet基础上，添加了UP-TO-DATE这版本有关的状态字段。

这时，若修改Deployment的Pod模板，“滚动更新”就会被自动触发。

4.3 修改Deployment

有很多方法。如kubectl edit指令编辑Etcd里的API对象。

$ kubectl edit deployment/nginx-deployment
... 
    spec:
      containers:
      - name: nginx
      	# 将nginx镜像的版本升级到1.9.1
        image: nginx:1.9.1 # 1.7.9 -> 1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
...
deployment.extensions/nginx-deployment edited

该指令会帮你直接打开nginx-deployment的API对象。然后，你就能修改这里的Pod模板部分。

kubectl edit是把API对象的内容下载到本地文件，让你修改完成后再提交上去。

kubectl edit指令编辑完成后，保存退出，k8s就会立刻触发“滚动更新”过程。

通过kubectl rollout status查看nginx-deployment的状态变化：

$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment

查看Deployment的Events，看到“滚动更新”流程：

$ kubectl describe deployment nginx-deployment
...
Events:
  Type    Reason             Age   From                   Message
  ----    ------             ----  ----                   -------
...
  Normal  ScalingReplicaSet  24s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 1
  Normal  ScalingReplicaSet  22s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 2
  Normal  ScalingReplicaSet  22s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 2
  Normal  ScalingReplicaSet  19s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 1
  Normal  ScalingReplicaSet  19s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 3
  Normal  ScalingReplicaSet  14s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 0

首先，当你修改Deployment的Pod定义后，Deployment Controller会使用这个修改后的Pod模板，创建一个新ReplicaSet（hash=1764197365），这新ReplicaSet的初始Pod副本数是：0。

然后，Age=24s，Deployment Controller开始将这个新的ReplicaSet所控制的Pod副本数从0个变成1个，即“水平扩展”出一个副本。

Age=22s，Deployment Controller又将旧ReplicaSet（hash=3167673210）所控制的旧Pod副本数减少一个，即：“水平收缩”成两个副本。

如此交替进行：

• 新ReplicaSet管理的Pod副本数，从0=》1=》2=》3个
• 旧ReplicaSet管理的Pod副本数则从3个变成2个，再变成1个，最后变成0

这就完成这组Pod的版本升级过程。

将一个集群中正在运行的多个Pod版本，交替地逐一升级的过程，就是“滚动更新”。

“滚动更新”完成后，查看新、旧两个ReplicaSet的最终状态：

$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-1764197365   3         3         3       6s
nginx-deployment-3167673210   0         0         0       30s

旧ReplicaSet（hash=3167673210）已被“水平收缩”成了0个副本。

4.4 滚动更新的好处

如升级刚开始时，集群里只有1个新版本的Pod。若这时，新版本Pod有问题启动不起来，则“滚动更新”就会停止，从而允许开发、运维介入。而在这过程中，由于应用本身还有两个旧版Pod在线，所以服务不会受到太大影响。

这也就要求你一定要使用Pod的Health Check机制检查应用的运行状态，而非简单依赖容器的Running状态。不然，虽容器已Running，但服务很有可能尚未启动，“滚动更新”效果就达不到了。

为保证服务连续性，Deployment Controller还会确保：

• 任何时间窗口内，只有指定比例的Pod处离线态
• 任何时间窗口内，只有指定比例的新Pod被创建出来

这两个比例的值都是可配置，默认都是DESIRED值的25%。

所以，上面的Deployment案例有3个Pod副本，则控制器在“滚动更新”的过程中永远都会确保至少有2个Pod处可用状态，至多4个Pod同时存在于集群中。该策略是Deployment对象的一个字段，名叫RollingUpdateStrategy

如下所示：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
...
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 1

该RollingUpdateStrategy配置中：

• maxSurge 除了DESIRED数量之外，在一次“滚动”中，Deployment控制器还可以创建多少个新Pod
• maxUnavailable指的是，在一次“滚动”中，Deployment控制器可以删除多少个旧Pod。

同时，这两个配置还可以用百分比形式表示，如：maxUnavailable=50%，指的是我们最多可以一次删除“50%*DESIRED数量”个Pod。

4.5 FAQ

滚动更新时控制的是副本集，对于上层的service,什么时候切换到新的pod,期间会涉及到外部请求负载到旧版本的pod吗？

理论上分析肯定有这个情况，不然就不会抛出金丝雀发布和蓝绿发布的概念了。只要pod是就绪状态，不管版本老旧，都会被访问到，老版本在滚动更新过程中被下线，状态变为不可用后，才会从service里面剔除掉。

如果不修改镜像名称和tag，如何做到强制拉取镜像，触发更新？

imagepullpolicy=always

公司准备试水k8s，我看网上很多文章都在说跨主机容器间通信的解决方案，如果我们的服务分批容器化，需要解决宿主机网络和容器网络的互通，我用flannel或者calico目前都只能做到宿主机能访问容器网络或者容器能访问宿主机网络，不能做到双向通讯，能指点一下吗？

为什么是 或者？宿主机和容器网络互通是基本假设。如果跟宿主机共享网络， 可以用hostNetwork: true。

在滚动更新的过程中，Service的流量转发会有怎样的变化呢？

service只会代理readiness检查返回正确的pod。

如果我直接edit rs，将image修改成新的版本，是不是也能实现pod中容器镜像的更新？我试了一下，什么反应也没有。既然rs控制pod，为什么这样改不能生效呢？

因为rs controller 不处理rollout逻辑

5 应用版本和ReplicaSet一一对应

扩展Deployment、ReplicaSet和Pod关系图：

Deployment的控制器实际控制的是：

• ReplicaSet的数目
• 及每个ReplicaSet的属性

而一个应用的版本，对应一个ReplicaSet；该版本应用的Pod数量，由ReplicaSet通过它自己的控制器（ReplicaSet Controller）保证。通过多个ReplicaSet对象，k8s实现对多个“应用版本”的描述。

6 Deployment对应用进行版本控制

6.1 kubectl set image

直接修改nginx-deployment使用的镜像。不用像kubectl edit需打开编辑器。

把该镜像名字修改成为一个错误名字，如nginx:1.91。这个Deployment就会出现一个升级失败的版本。

[root@javaedge-monitor-platform-dev k8s]# kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.91
deployment.apps/nginx-deployment image updated
[root@javaedge-monitor-platform-dev k8s]# 

由于这nginx:1.91镜像在Docker Hub不存在，所以这个Deployment的“滚动更新”被触发后，会立刻报错并停止。

检查ReplicaSet状态：

$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-1764197365   2         2         2       24s
nginx-deployment-3167673210   0         0         0       35s
nginx-deployment-2156724341   2         2         0       7s

• 新版本的ReplicaSet（hash=2156724341）的“水平扩展”已停止。此时，它已创建两个Pod，但都没有进入READY态。因为这两个Pod都拉不到有效镜像
• 旧版本的ReplicaSet（hash=1764197365）的“水平收缩”，也自动停止了。此时，已有一个旧Pod被删除，还剩下两个旧Pod

如何让该Deployment的3个Pod都

7 回滚到旧版本

执行kubectl rollout undo，就能把整个Deployment回滚到上一版本：

$ kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment
deployment.extensions/nginx-deployment

Deployment的控制器就是让这个旧ReplicaSet（hash=1764197365）再“扩展”成3个Pod，而让新ReplicaSet（hash=2156724341）重“收缩”到0个Pod。

7.1 回滚到指定版本

① 查看每次变更对应版本

先使用kubectl rollout history，查看每次Deployment变更对应的版本。

而由于我们在创建这Deployment时，指定了–record参数，所以创建这些版本时执行的kubectl命令，都会被记录：

$ kubectl rollout history deployment/nginx-deployment
deployments "nginx-deployment"
REVISION    CHANGE-CAUSE
1           kubectl create -f nginx-deployment.yaml --record
2           kubectl edit deployment/nginx-deployment
3           kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.91

• 前面执行的创建和更新操作，分别对应了版本1、2
• 那次失败的更新操作是版本3

② Deployment API对象细节

还能看到每个版本对应的Deployment的API对象的细节

$ kubectl rollout history deployment/nginx-deployment --revision=2

就能在kubectl rollout undo命令行最后，加上要回滚到的指定版本的版本号，就能回滚到指定版本：

$ kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment --to-revision=2
deployment.extensions/nginx-deployment

Deployment Controller还会按“滚动更新”，完成对Deployment的降级操作。

FAQ

有人说：一般生产环境回滚不会用什么 rollout 吧 ？直接把 yaml 文件的 镜像改回之前的 不就回滚了嘛？

改yaml又执行一遍rolling update了，而且因为应用版本不仅仅只有代码或者镜像，还有包括内存和cpu资源等。

在 deployment rollout undo 的时候，是也会创建一个新的rs对象吗？如果是的话那么这个rs的template hash不就重复了？如果不是得话又是如何处理的呢？

deployment 关注的应该是自身的api对象和rs的api对象，但是我看deployment controller 的源码中也关注了pod的变更，这是为了处理哪种情况？

回滚又不是创建新版本，版本与rs一一对应，怎么会出现新的rs呢？滚动升级反向操作即可。 它只关心pod被全删除的情况，因为有一种滚动更新策略是这时候重新创建新的deployment。

8 ReplicaSet资源节约

对Deployment进行的每一次更新操作，都会生成一个新的ReplicaSet对象，是不是有些多余，甚至浪费资源？

是的！所以，k8s项目还提供指令，让我们对Deployment的多次更新操作，最后只生成一个ReplicaSet。

更新Deployment前，先执行

8.1 kubectl rollout pause

$ kubectl rollout pause deployment/nginx-deployment
deployment.extensions/nginx-deployment paused

让这个Deployment进入“暂停”状态。然后，就能随意使用kubectl edit或kubectl set image，修改该Deployment内容。

由于此时Deployment正处“暂停”态，所以我们对Deployment的所有修改，都不会触发新的“滚动更新”，也不会创建新ReplicaSet。

而等到我们对Deployment修改操作都完成之后，再执行

8.2 kubectl rollout resume

就能把这个Deployment“恢复”：

$ kubectl rollout resume deploy/nginx-deployment
deployment.extensions/nginx-deployment resumed

而在这个kubectl rollout resume指令执行之前，在kubectl rollout pause指令之后的这段时间里，我们对Deployment进行的所有修改，最后只会触发一次“滚动更新”。

检查ReplicaSet状态的变化，验证kubectl rollout pause和kubectl rollout resume指效果：

$ kubectl get rs
NAME               DESIRED   CURRENT   READY     AGE
nginx-1764197365   0         0         0         2m
nginx-3196763511   3         3         3         28s

只有一个hash=3196763511的ReplicaSet被创建。

即使小心控制了ReplicaSet的生成数量，随应用版本不断增加，k8s还是会为同一Deployment保存很多很多不同ReplicaSet，如何控制这些“历史”ReplicaSet的数量？Deployment对象有一个字段spec.revisionHistoryLimit，即k8s为Deployment保留的“历史版本”个数。所以，把它设置为0，就再也不能做回滚操作。

9 总结

Deployment这个k8s项目中最基本的编排控制器的实现原理和使用方法。

Deployment实际上是个两层控制器：

• 先通过ReplicaSet的个数来描述应用的版本
• 再通过ReplicaSet的属性（比如replicas的值），保证Pod的副本数量

Deployment控制ReplicaSet（版本），ReplicaSet控制Pod（副本数）。

k8s项目对Deployment的设计，实际是代替我们完成了对“应用”的抽象，使得我们可以使用这个Deployment对象来描述应用，使用kubectl rollout命令控制应用的版本。

可实际场景，应用发布的流程往往千差万别，也可能有很多定制需求。如我的应用可能有会话黏连（session sticky），这就意味着“滚动更新”的时候，哪个Pod能下线，不能随便选择。这光靠Deployment自己就很难应对了。

k8s本身也提供另外一种抽象方式，应对其他一些用Deployment无法处理的应用编排场景。

10 FAQ

金丝雀发布（Canary Deployment）和蓝绿发布（Blue-Green Deployment）啥东西？

金丝雀部署：优先发布一台或少量机器升级，等验证无误后再更新其他机器。优点是用户影响范围小，不足之处是要额外控制如何做自动更新。

蓝绿部署：2组机器，蓝代表当前的V1版本，绿代表已经升级完成的V2版本。通过LB将流量全部导入V2完成升级部署。优点是切换快速，缺点是影响全部用户。

有了Deployment的能力之后，可非常轻松用它实现金丝雀发布、蓝绿发布及A/B测试等很多应用发布模式。这些问题答案都在GitHub库

kubectl get deployments 得到的 available 字段表示的是处于Running状态且健康检查通过的Pod, 这里有一个疑问: 健康检查不是针对Pod里面的Container吗? 如果某一个Pod里面包含多个Container, 但是这些Container健康检查有些并没有通过, 那么此时该Pod会出现在 available里面吗? Pod通过健康检查是指里面所有的Container都通过吗?

都通过！

关注我，紧跟本系列专栏文章，咱们下篇再续！

作者简介：魔都国企技术专家兼架构，多家大厂后台研发和架构经验，负责复杂度极高业务系统的模块化、服务化、平台化研发工作。具有丰富带团队经验，深厚人才识别和培养的积累。