深入源码分析kubernetes informer机制（四）DeltaFIFO

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[阅读指南]

这是该系列第四篇

基于kubernetes 1.27 stage版本

为了方便阅读，后续所有代码均省略了错误处理及与关注逻辑无关的部分。

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文章目录

• client-go中的存储结构
• DeltaFIFO
• • delta
  • [索引 key](#索引 key)
  • [queue push操作](#queue push操作)
  • • [delta push 去重](#delta push 去重)
  • [queue pop操作](#queue pop操作)
• 总结

client-go中的存储结构

如下图，clinet-go中定义了存储类型接口store，用来提供存储对象的基本能力。

queue继承了store接口，并提供了队列的能力，队列中可以保存需要增删改的存储对象的key，它会取出队头元素，调用PopProcessFunc处理。

queue的实现有两个：FIFO和deltaFIFO。

deltaFIFO的不同点在于，deltaFIFO队列中，key对应的不是对象本身，而是对象的delta。

另外deltaFIFO除了通过add、update、delete添加元素，还有两种特殊的方式：replaced和sync。replaced一般发生在资源版本更新时，而sync由resync定时发起。

DeltaFIFO

下面是deltaFIFO数据结构的定义

type DeltaFIFO struct {
    // 并发读写锁
	lock sync.RWMutex
	cond sync.Cond

    // `items` maps a key to a Deltas.
    // 资源对象的key与对应的delta数组，每个数组至少都会有一个delta
	items map[string]Deltas

	// 按照FIFO队列顺序存储key，用来给pop()消费。
    // 该数组不会有重复值，并且所有元素都一定在items中
	queue []string

	// 生成key值的函数，默认是 MetaNamespaceKeyFunc
	keyFunc KeyFunc

    // 本地缓存中已知的所有资源对象的key
	knownObjects KeyListerGetter

	......
}

delta

如前面所说，deltaFIFO中key映射的不是对象本身，是delta数组。

根据Delta数据结构的定义，delta包含了一个资源对象的变更类型及变更的内容。这里的Object不一定是完整的资源数据，大部分场景下只会有变更的部分信息。

type Delta struct {
	Type   DeltaType
	Object interface{}
}

type DeltaType string
const (
	Added   DeltaType = "Added"
	Updated DeltaType = "Updated"
	Deleted DeltaType = "Deleted"
	Replaced DeltaType = "Replaced"
	Sync DeltaType = "Sync"
)

举个栗子，本地已经有了一个pod对象，

&Pod{
    Name:      "mypod",
    Namespace: "default",
    Labels:    map[string]string{"app": "web", "version": "0.0.1"},
}

此时mypod的 lable从web变成了app-server，reflector就会创建一个这样的delta对象放入FIFO队列中。

&Delta{
    Type:   "Updated",
    Object: &Pod{
            Name:      "mypod",
            Namespace: "default",
            Labels:    map[string]string{"app": "app-server"},
        },
}

索引 key

deltaFIFO队列中，存储的是delta的key值，通过key值可以在items map中获取到对应的delta对象。

这个key值在初始化FIFO时通过KeyFunction进行定义，使用者没有指定时，都会使用自带的命名函数 MetaNamespaceKeyFunc 进行命名，命名规则是

• namespace不为空，key为/
• namespace为空，key为

这里的name是在yaml资源配置中的matadata.name，比如上面的mypod。在同一个资源下，name在所有api version都一定是唯一的。

func MetaNamespaceKeyFunc(obj interface{}) (string, error) {
	if key, ok := obj.(ExplicitKey); ok {
		return string(key), nil
	}
	meta, err := meta.Accessor(obj)

	if len(meta.GetNamespace()) > 0 {
		return meta.GetNamespace() + "/" + meta.GetName(), nil
	}
	return meta.GetName(), nil
}

queue push操作

watcher监控的资源变更时，会调用deltaFIFO中Added、Updated、Deleted、Replaced、Sync方法，最终它们都会通过queueActionLocked 方法往deltaFIFO队列中加入对应类型的delta对象。

queueActionLocked 也就是deltaFIFO的入队操作。

和一般的入队不同的是，新加入的delta不是直接加入到队尾，队列queue数组中保存的是delta的key。所以入队的操作是这样的

1. 获取delta对应的key值（还记得keyfunc吗，又是它）
2. 如果delta所属的资源key已经在队列中，直接将delta添加到key对应到deltas数组末尾。更新已存在的资源delta并不会影响他的key在队列中的位置。
3. 如果delta所属的资源key不在队列中，就将key添加到队列末尾，并在items中关联key和delta

func (f *DeltaFIFO) queueActionLocked(actionType DeltaType, obj interface{}) error {
	id, err := f.KeyOf(obj)

	// 自定义的转换函数。可以在delta事件被处理之前完成一些预处理
    // 常见的用法是用来过滤一些处理程序不关注的资源对象、以及处理数据格式等
	if f.transformer != nil {
		obj, err = f.transformer(obj)
	}

    // 将新的delta放入资源key对应的delta数组末尾
    // 如果原本的key不存在，就是创建了一个新的数组，并将新的delta放入其中
	oldDeltas := f.items[id]
	newDeltas := append(oldDeltas, Delta{actionType, obj})

    // 对delta数组中的delta去重
	newDeltas = dedupDeltas(newDeltas)

    // 判断key是否已经在队列中，并且更新key对应的delta数组
	if len(newDeltas) > 0 {
		if _, exists := f.items[id]; !exists {
			f.queue = append(f.queue, id)
		}
		f.items[id] = newDeltas
		f.cond.Broadcast()
    }
    
	return nil
}

delta push 去重

上一节提到，delta进行push操作时，会对加入的delta进行去重。去重逻辑目前只针对两个delete类型的delta有效：当delta数组中倒数第一个和第二个delta都是delete类型时，将会去掉其中一个。

func dedupDeltas(deltas Deltas) Deltas {
	n := len(deltas)
	if n < 2 {
		return deltas
	}
	a := &deltas[n-1]
	b := &deltas[n-2]
	if out := isDup(a, b); out != nil {
		deltas[n-2] = *out
		return deltas[:n-1]
	}
	return deltas
}

// 判断a、b两个delta是否重复
// 目前暂时只有两个delete类型的delta会被判定为重复。
func isDup(a, b *Delta) *Delta {
	if out := isDeletionDup(a, b); out != nil {
		return out
	}
	return nil
}

// 判定两个delta是否都是deleted类型
func isDeletionDup(a, b *Delta) *Delta {
	if b.Type != Deleted || a.Type != Deleted {
		return nil
	}
    
	if _, ok := b.Object.(DeletedFinalStateUnknown); ok {
		return a
	}
	return b
}

举个小小的例子来回顾一下delta push操作。假设queue中有3个pod对象，对应了不同的变更事件，如下所示。

此时watcher监听到资源发生变化：

1. pod2收到了updated事件
2. pod1收到了deleted事件
3. pod3收到了deleted事件

于是，三个delta入队成功后的队列图如下

pod1已有一个deleted事件，再次收到deleted后，经过dedupDeltas去重，最终只保留一个deleted。

pod3虽然有两个deleted事件，但是他们并不是连续的事件，不会被去重

queue pop操作

deltaFIFO出队的操作和普通的队列出队类似，从队头取出一个资源对象key，并删除items中key对应的deltas数组。

pop出队时，会调用传参PopProcessFunc对出队元素进行处理。

func (f *DeltaFIFO) Pop(process PopProcessFunc) (interface{}, error) {
	f.lock.Lock()
	defer f.lock.Unlock()
	for {
		for len(f.queue) == 0 {
            // 队列为空时阻塞
			if f.closed {
				return nil, ErrFIFOClosed
			}
			f.cond.Wait()
		}

        // 取出队首的资源对象key
		id := f.queue[0]
		f.queue = f.queue[1:]

        // 获取key对应的deltas数组
		item, ok := f.items[id]

        // 执行pop处理函数，处理delta事件，如果处理失败了，资源对象会被重新加入到队列中。
        // 但是如果队列中存在相同的对象，资源对象会被丢弃。
		err := process(item, isInInitialList)
		if e, ok := err.(ErrRequeue); ok {
			f.addIfNotPresent(id, item)
			err = e.Err
		}

		return item, err
	}
}

这里一开始有个小疑问，如果资源的delta处理失败了，并且队列中又出现了同样的资源key，这部分delta数据不就丢失了吗？

但是仔细看出队入队公用一个锁，pop处理对象时不会有新的对象入队，所以理论上不会出现在addIfNotPresent时，key是persent的情况。而deltaFIFO入队的逻辑，也不会存在一个队列有两个相同的key的情况，所以不会有丢失的问题，addIfNotPresent应该只是加多一层保障。如果理解有问题，欢迎大佬们指正。

回顾一下pop的调用方processLoop，调用pop时传入PopProcessFunc(c.config.Process))。

系列第一篇介绍informer时提到过，c.config.Process最终调用的是processDeltas函数，它包含了数据同步到存储，以及调用注册的用户函数两个操作。

func (c *controller) processLoop() {
	for {
		obj, err := c.config.Queue.Pop(PopProcessFunc(c.config.Process))
		if err != nil {
			...
		}
	}
}

// 数据处理函数
func processDeltas(
	handler ResourceEventHandler,
	clientState Store,
	deltas Deltas,
	isInInitialList bool,
) error {
	// from oldest to newest
	for _, d := range deltas {
		obj := d.Object

        // 区分事件类型进行处理
		switch d.Type {
		case Sync, Replaced, Added, Updated:
            // 同步存储数据
			if old, exists, err := clientState.Get(obj); err == nil && exists {
				if err := clientState.Update(obj); err != nil {
					return err
				}
                // 回调用户函数
				handler.OnUpdate(old, obj)
			} else {
                // 同步存储数据
				if err := clientState.Add(obj); err != nil {
					return err
				}
                // 回调用户函数
				handler.OnAdd(obj, isInInitialList)
			}
		case Deleted:
            // 同步存储数据
			if err := clientState.Delete(obj); err != nil {
				return err
			}
            // 回调用户函数
			handler.OnDelete(obj)
		}
	}
	return nil
}

总结

还是用上一节的例子，小结回顾一下整体的流程