Volcano 原理、源码分析（二）

胡说云原生2024-01-03 17:22
  • [0. 总结前置](#0. 总结前置)
  • [1. 概述](#1. 概述)
  • [2. 寻找调度器中的 PodGroup](#2. 寻找调度器中的 PodGroup)
    • [2.1 从 PodGroup 到 JobInfo 的封装](#2.1 从 PodGroup 到 JobInfo 的封装)
    • [2.2 从 Pod 到 TaskInfo 的封装](#2.2 从 Pod 到 TaskInfo 的封装)
  • [3. 控制器中 PodGroup 和 Pod 的创建逻辑](#3. 控制器中 PodGroup 和 Pod 的创建逻辑)
    • [3.1 从 main 开始寻找 SyncJob 的踪迹](#3.1 从 main 开始寻找 SyncJob 的踪迹)
    • [3.2 SyncJob 过程如何创建 PodGroup 和 Pod](#3.2 SyncJob 过程如何创建 PodGroup 和 Pod)
      • [3.2.1 创建 PodGroup](#3.2.1 创建 PodGroup)
      • [3.2.2 创建 Pods](#3.2.2 创建 Pods)
  • [4. 总结](#4. 总结)
  • [5. 最后](#5. 最后)

0. 总结前置

你也可以选择直接跳到[1. 概述](#1. 概述)开始阅读。

今天我们先顺着 Volcano Scheduler 部分的代码找到了 PodGroup 的处理逻辑，看到了 Scheduler 拿到 PodGroup 后会组装 JobInfo 对象；拿到 Pod 后会组装 TaskInfo 对象（这里根据 Pod 的注解中指定的 PodGroup 名字来将 TaskInfo 和 JobInfo 关联，也就是 Pod 和 PodGroup 的关联。

接着我们又从 Volcano Controller （Job Controller）中找到了 PodGroup 和 Pod 的创建逻辑。在 Job 对象创建后，控制器会根据 Job 的信息创建一个唯一对应的 PodGroup，然后根据 Job 中的 Tasks 信息创建一系列的 pods，这些 pods 会带上 PodGroup 名字（在注解里）

至此，我们知道了 Volcano 中调度器和控制器的职责分层，进一步也就能够理解 Volcano 如何和 kubeflow 等其他框架结合完成复杂任务的批调度过程了。（上层框架创建 PodGroup 和 Pods，Volcano 根据 PodGroup 信息和 Pods 注解信息完成批调度过程。

1. 概述

话接上回，在《Volcano 原理、源码分析（一）》中我们聊到了 Volcano Scheduler 部分的主要工作逻辑，发现 Volcano Scheduler 是围绕了 Job 和 Job 里面的 Tasks 在调度。但是理论上 Volcano Scheduler 应该以 PodGroup 为基础单元执行调度逻辑，这里的 gap 出现在哪里呢？

后来在文末我提到了 Scheduler 部分的 Job 就是 PodGroup wrapper，Task 就是 Pod wrapper，这样逻辑上才说得通。今天我准备接着这条路，分析 PodGroup 的"调谐"逻辑。

2. 寻找调度器中的 PodGroup

根据经验（其实我也没有啥 Volcano 的经验，不过早几年看过不少 K8s 里的控制器和调度器相关代码，Volcano 既然在 K8s 体系内抽象控制器和调度器，那实现逻辑就应该类似），Volcano 的控制器部分应该负责根据 Job 资源配置来创建相应的 PodGroup 资源对象实例，然后调度器部分应该通过相应的 Informer 能力拿到 PodGroup 资源对象实例创建事件，接着进行相应的调度逻辑。（盲猜的，接着从代码里顺着这个思路看能不能找到相应逻辑。）

2.1 从 PodGroup 到 JobInfo 的封装

在 pkg/scheduler 目录内搜 PodGroup 相关代码，一个 PodGroup 相关的 EventHandler 逻辑出现在我眼前。K8s 自定义控制器开发的主要工作之一就是定义 "Resource Event Handlers"。

  • pkg/scheduler/cache/cache.go:669
go 复制代码 
sc.podGroupInformerV1beta1.Informer().AddEventHandler(
    cache.FilteringResourceEventHandler{
        FilterFunc: func(obj interface{}) bool {
            var pg *vcv1beta1.PodGroup
            switch v := obj.(type) {
            case *vcv1beta1.PodGroup:
                pg = v
            // ......

            return responsibleForPodGroup(pg, mySchedulerPodName, c)
        },
        Handler: cache.ResourceEventHandlerFuncs{
            AddFunc:    sc.AddPodGroupV1beta1,
            UpdateFunc: sc.UpdatePodGroupV1beta1,
            DeleteFunc: sc.DeletePodGroupV1beta1,
        },
    })

顺着这里的代码接着看 AddPodGroupV1beta1 方法的实现：

  • pkg/scheduler/cache/event_handlers.go:707
go 复制代码 
func (sc *SchedulerCache) AddPodGroupV1beta1(obj interface{}) {
	ss, ok := obj.(*schedulingv1beta1.PodGroup)
	// ......

	podgroup := scheduling.PodGroup{}
	if err := scheme.Scheme.Convert(ss, &podgroup, nil); err != nil {
		klog.Errorf("Failed to convert podgroup from %T to %T", ss, podgroup)
		return
	}

	pg := &schedulingapi.PodGroup{PodGroup: podgroup, Version: schedulingapi.PodGroupVersionV1Beta1}
	// ......

	if err := sc.setPodGroup(pg); err != nil {
		klog.Errorf("Failed to add PodGroup %s into cache: %v", ss.Name, err)
		return
	}
}

这里定义了一个 PodGroup 类型（不是 CRD 里的 PodGroup）：

go 复制代码 
type PodGroup struct {
	scheduling.PodGroup
	Version string
}

然后将这个包含 CR PodGroup + Version 的 pg 传给了 sc.setPodGroup(pg) 方法。sc 的类型是 *SchedulerCache。

接着来看 setPodGroup 方法的实现：

  • pkg/scheduler/cache/event_handlers.go:668
go 复制代码 
func (sc *SchedulerCache) setPodGroup(ss *schedulingapi.PodGroup) error {
    // 这里的 job 是一个字符串，内容是 PodGroup 的 namespace/name
	job := getJobID(ss)
	if _, found := sc.Jobs[job]; !found {
        // Jobs 这个 map 的 key 就是 pg 的 namespace/name，value 是一个新的类型 *JobInfo
		sc.Jobs[job] = schedulingapi.NewJobInfo(job)
	}

    // 这里存的 *JobInfo 类型的 Job 中很多属性都来自于 ss 这个 pg
	sc.Jobs[job].SetPodGroup(ss)

	// ......
	return nil
}

到这里，PodGroup 的信息就被转存到了 JobInfo 中，JobInfo 也就对应一个 PodGroup 在 Scheduler 内的 wrapper。

2.2 从 Pod 到 TaskInfo 的封装

PodGroup 这个 CR 中其实不包含 Pod 的具体信息。在 PodGroup 的 Spec 定义中，我们可以看到如下字段：

  • volcano.sh/apis@v1.8.0/pkg/apis/scheduling/types.go:166
go 复制代码 
type PodGroupSpec struct {
	MinMember int32
	MinTaskMember map[string]int32
	Queue string
	PriorityClassName string
	MinResources *v1.ResourceList
}

换言之，通过 PodGroup 资源对象实例其实找不到相应的 pods 信息，也就是说 spec 里没有类似 Pods 这样的字段。那么 Pod 和 PodGroup 如何关联呢？既然没有直接绑定，那么 Pod 中就一定会保存 PodGroup 的信息，比如通过在 Pod 的 annotation 中保存所属 PodGroup 的 id 之类的方式，然后在处理 Pod 变更事件对应的控制逻辑中完成 Pod 和 PodGroup 的关联过程。

好，下一步理所当然看一下当 Pod 相关的 events 产生的时候，Scheduler 里相应的 handlers 是什么。

  • pkg/scheduler/cache/cache.go:616
go 复制代码 
sc.podInformer.Informer().AddEventHandler(
    cache.FilteringResourceEventHandler{
        FilterFunc: func(obj interface{}) bool {
            switch v := obj.(type) {
            case *v1.Pod:
                if !responsibleForPod(v, schedulerNames, mySchedulerPodName, c) {
                    if len(v.Spec.NodeName) == 0 {
                        return false
                    }
                    if !responsibleForNode(v.Spec.NodeName, mySchedulerPodName, c) {
                        return false
                    }
                }
                return true
            // ......
        },
        Handler: cache.ResourceEventHandlerFuncs{
            AddFunc:    sc.AddPod,
            UpdateFunc: sc.UpdatePod,
            DeleteFunc: sc.DeletePod,
        },
    })

在 Filter 过程中，主要是根据 pod.Spec.SchedulerName 来判断这个 Pod 是不是应该被当前调度器调度。顺着继续看 AddPod 方法的实现：

  • pkg/scheduler/cache/event_handlers.go:362
go 复制代码 
func (sc *SchedulerCache) AddPod(obj interface{}) {
	pod, ok := obj.(*v1.Pod)
	// ......

	err := sc.addPod(pod)
	// ......
}

再看 addPod 方法：

  • pkg/scheduler/cache/event_handlers.go:237
go 复制代码 
func (sc *SchedulerCache) addPod(pod *v1.Pod) error {
	pi, err := sc.NewTaskInfo(pod)
	// ......

	return sc.addTask(pi)
}

这里干了2件事：

  1. 先拿着 pod 信息创建一个 *TaskInfo 类型的 pi，这里的 TaskInfo 也就是一个 Pod 信息的 wrapper，和前面的 JobInfo 封装 PodGroup 逻辑非常接近。
  2. SchedulerCache 的 addTask 方法将 TaskInfo 加到 JobInfo.Tasks 属性中。这里的 Tasks 类型是 map[TaskID]*TaskInfo。

另外还需要关注 NewTaskInfo 方法里的一个细节：

  • pkg/scheduler/cache/event_handlers.go:226
go 复制代码 
func (sc *SchedulerCache) NewTaskInfo(pod *v1.Pod) (*schedulingapi.TaskInfo, error) {
	taskInfo := schedulingapi.NewTaskInfo(pod)
	// ......
	return taskInfo, nil
}

这里调用了 schedulingapi.NewTaskInfo(pod)，继续往里：

  • pkg/scheduler/api/job_info.go:162
go 复制代码 
func NewTaskInfo(pod *v1.Pod) *TaskInfo {
	initResReq := GetPodResourceRequest(pod)
	resReq := initResReq
	bestEffort := initResReq.IsEmpty()
	preemptable := GetPodPreemptable(pod)
	revocableZone := GetPodRevocableZone(pod)
	topologyInfo := GetPodTopologyInfo(pod)

	jobID := getJobID(pod)

	ti := &TaskInfo{
		UID:           TaskID(pod.UID),
		Job:           jobID,
		Name:          pod.Name,
		Namespace:     pod.Namespace,
		Priority:      1,
		Pod:           pod,
		Resreq:        resReq,
		InitResreq:    initResReq,
		// ......
	}

	// ......

	return ti
}

注意到这里设置了一个 jobID 到 TaskInfo 里，而这个 getJobID() 方法的实现就很有意思了：

  • pkg/scheduler/api/job_info.go:141
go 复制代码 
func getJobID(pod *v1.Pod) JobID {
	if gn, found := pod.Annotations[v1beta1.KubeGroupNameAnnotationKey]; found && len(gn) != 0 {
		// Make sure Pod and PodGroup belong to the same namespace.
		jobID := fmt.Sprintf("%s/%s", pod.Namespace, gn)
		return JobID(jobID)
	}

	return ""
}

这里尝试从 pod 中寻找 key 为 "scheduling.k8s.io/group-name" 的 annotation，假如这个 value 是 pg1，那么 JobID 就是 "pod-namespace/pg1"，其实也就是 PodGroup 的标识。于是到这里，表示 Pod 的 TaskInfo 也就关联上了表示 PodGroup 的 TaskInfo。

3. 控制器中 PodGroup 和 Pod 的创建逻辑

到这里，我们知道了 Scheduler 中是如何处理 PodGroup 和 Pod，将其转换成 jobs 和 job.tasks 然后进一步执行调度逻辑的。那么控制器层面是如何创建 PodGroup 和 Pod 的呢？

在 Volcano 中有一个自定义资源 Job，按理说这个 Job 类型的资源对象被创建后，相应的 Controller 应该负责完成 Job 对应的 PodGroup 和 pods 的创建，并且打上合适的 annotation。同理其他框架，比如 kubeflow 里的 operator 也应该是类似的逻辑，负责创建 PodGroup 以及 pods（也可能只创建 pods），然后和 Volcano Scheduler 协作完成批调度流程。

总之，接着先看下 Volcano 中的控制器部分是如何倒腾 PodGroup 和 Pod 的。

3.1 从 main 开始寻找 SyncJob 的踪迹

接着我们从主函数入手，寻找当 Job 被创建后，Controller 对应的 worker 逻辑。

  • cmd/controller-manager/main.go:45
go 复制代码 
func main() {
	// ......

	if err := app.Run(s); err != nil {
		fmt.Fprintf(os.Stderr, "%v\n", err)
		os.Exit(1)
	}
}

这里的主要逻辑就是调用 Run() 方法，在 Run() 方法内有一个 startControllers(config, opt) 调用，startControllers(config, opt) 方法内又有一个 c.Run(ctx.Done()) 调用，这几层函数基本都是框架性质的逻辑，这里不赘述。

c.Run(ctx.Done()) 方法对应的 JobController 的启动方法是：

  • pkg/controllers/job/job_controller.go:238
go 复制代码 
func (cc *jobcontroller) Run(stopCh <-chan struct{}) {
	cc.informerFactory.Start(stopCh)
	cc.vcInformerFactory.Start(stopCh)

	// ......

	go wait.Until(cc.handleCommands, 0, stopCh)
	var i uint32
	for i = 0; i < cc.workers; i++ {
		go func(num uint32) {
			wait.Until(
				func() {
					cc.worker(num)
				},
				time.Second,
				stopCh)
		}(i)
	}

	go cc.cache.Run(stopCh)

	// Re-sync error tasks.
	go wait.Until(cc.processResyncTask, 0, stopCh)

	klog.Infof("JobController is running ...... ")
}

从这里就能看到 worker() 方法的调用入口，继续往后跟 worker() 方法肯定能找到一个 processNextReq() 方法：

go 复制代码 
func (cc *jobcontroller) worker(i uint32) {
	klog.Infof("worker %d start ...... ", i)

	for cc.processNextReq(i) {
	}
}

从 processNextReq() 方法中就开始有"干货逻辑"了：

  • pkg/controllers/job/job_controller.go:310
go 复制代码 
func (cc *jobcontroller) processNextReq(count uint32) bool {
	queue := cc.queueList[count]
	obj, shutdown := queue.Get()
	// ......

	jobInfo, err := cc.cache.Get(key)
	// ......

	st := state.NewState(jobInfo)
	// ......

	if err := st.Execute(action); err != nil {
		// ......
	}

	queue.Forget(req)

	return true
}

这里的代码主要逻辑就上面这几行，我们来关注 st.Execute(action) 的逻辑。

首先 state.NewState(jobInfo) 调用返回了一个 st，这个 st 是什么呢？

  • pkg/controllers/job/state/factory.go:62
go 复制代码 
func NewState(jobInfo *apis.JobInfo) State {
	job := jobInfo.Job
	switch job.Status.State.Phase {
	case vcbatch.Pending:
		return &pendingState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Running:
		return &runningState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Restarting:
		return &restartingState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Terminated, vcbatch.Completed, vcbatch.Failed:
		return &finishedState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Terminating:
		return &terminatingState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Aborting:
		return &abortingState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Aborted:
		return &abortedState{job: jobInfo}
	case vcbatch.Completing:
		return &completingState{job: jobInfo}
	}

	// It's pending by default.
	return &pendingState{job: jobInfo}
}

盲猜 State 这时候对应一个 *pendingState 类型。所以我们接着找 *pendingState 对象的 Execute() 方法实现：

  • pkg/controllers/job/state/pending.go:29
go 复制代码 
func (ps *pendingState) Execute(action v1alpha1.Action) error {
	switch action {
	// ......
	default:
		return SyncJob(ps.job, func(status *vcbatch.JobStatus) bool {
			if ps.job.Job.Spec.MinAvailable <= status.Running+status.Succeeded+status.Failed {
				status.State.Phase = vcbatch.Running
				return true
			}
			return false
		})
	}
}

SyncJob() 函数在这里出现了。

3.2 SyncJob 过程如何创建 PodGroup 和 Pod

继续来看 SyncJob 的具体实现。上一节找到的 SyncJob() 函数中调用到了 *jobcontroller.syncJob() 方法，sync job 的具体逻辑就在这个 syncJob() 方法中实现。

这里主要有2个过程：

  1. initiateJob 方法创建 PodGroup；
  2. 创建 pods；
  • pkg/controllers/job/job_controller_actions.go:224
go 复制代码 
func (cc *jobcontroller) syncJob(jobInfo *apis.JobInfo, updateStatus state.UpdateStatusFn) error {
    // ......
}

这个方法有点长，哎，一言难尽。我想提个 pr 给它拆分一下...... Anyway，这个方法里主要关注2个过程，我们直接来看吧。

3.2.1 创建 PodGroup

创建 PodGroup 的逻辑在 initiateJob() 方法中：

  • pkg/controllers/job/job_controller_actions.go:166
go 复制代码 
func (cc *jobcontroller) initiateJob(job *batch.Job) (*batch.Job, error) {
	// ......

	if err := cc.createOrUpdatePodGroup(newJob); err != nil {
		cc.recorder.Event(job, v1.EventTypeWarning, string(batch.PodGroupError),
			fmt.Sprintf("Failed to create PodGroup, err: %v", err))
		return nil, err
	}

	return newJob, nil
}

这里拿着 job 信息调用了一个 createOrUpdatePodGroup() 方法来完成和 Job 对应的 PodGroup 的创建。这个方法里 pg 实例化的主要逻辑是：

go 复制代码 
pg := &scheduling.PodGroup{
    ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
        Namespace: job.Namespace,
        // 这个 pgName 内容是 job.Name + "-" + string(job.UID)
        Name:        pgName,
        Annotations: job.Annotations,
        Labels:      job.Labels,
        OwnerReferences: []metav1.OwnerReference{
            *metav1.NewControllerRef(job, helpers.JobKind),
        },
    },
    Spec: scheduling.PodGroupSpec{
        MinMember:         job.Spec.MinAvailable,
        MinTaskMember:     minTaskMember,
        Queue:             job.Spec.Queue,
        MinResources:      cc.calcPGMinResources(job),
        PriorityClassName: job.Spec.PriorityClassName,
    },
}

换言之 PodGroup 和 Job 是一一对应的关系。

3.2.2 创建 Pods

继续来看创建 pods 的过程：

  • pkg/controllers/job/job_controller_actions.go:335
go 复制代码 
for _, ts := range job.Spec.Tasks {
    ts.Template.Name = ts.Name
    tc := ts.Template.DeepCopy()
    name := ts.Template.Name

    pods, found := jobInfo.Pods[name]
    if !found {
        pods = map[string]*v1.Pod{}
    }

    var podToCreateEachTask []*v1.Pod
    // 每个 Task 对应一组 pods，所以这里有一个循环
    for i := 0; i < int(ts.Replicas); i++ {
        podName := fmt.Sprintf(jobhelpers.PodNameFmt, job.Name, name, i)
        if pod, found := pods[podName]; !found {
            // 这个 createJobPod 只是组装 Pod 资源对象，类型是 *v1.Pod
            newPod := createJobPod(job, tc, ts.TopologyPolicy, i, jobForwarding)
            if err := cc.pluginOnPodCreate(job, newPod); err != nil {
                return err
            }
            // 加到队列中
            podToCreateEachTask = append(podToCreateEachTask, newPod)
            waitCreationGroup.Add(1)
        } else {
            // ......
        }
    }
    podToCreate[ts.Name] = podToCreateEachTask
    // ......
}

这一轮循环负责解析 Job 中的所有 Tasks，然后给每个 Task 创建对应的 pods，加入到 podToCreateEachTask 这个切片中，进而得到 podToCreate （类型是 map[string][]*v1.Pod）这个 map，map 的 key 是 Task 的 Name，value 是每个 Task 对应的需要创建的 pods 列表。

在 createJobPod() 方法中有这样几行和 annotation 相关的代码：

  • pkg/controllers/job/job_controller_util.go:100
go 复制代码 
index := strconv.Itoa(ix)
pod.Annotations[batch.TaskIndex] = index
pod.Annotations[batch.TaskSpecKey] = tsKey
pgName := job.Name + "-" + string(job.UID)
pod.Annotations[schedulingv2.KubeGroupNameAnnotationKey] = pgName
pod.Annotations[batch.JobNameKey] = job.Name
pod.Annotations[batch.QueueNameKey] = job.Spec.Queue
pod.Annotations[batch.JobVersion] = fmt.Sprintf("%d", job.Status.Version)
pod.Annotations[batch.PodTemplateKey] = fmt.Sprintf("%s-%s", job.Name, template.Name)

可以看到 Pod 的 annotation 里有一个 KubeGroupNameAnnotationKey = pgName，也就是 scheduling.k8s.io/group-name=pg-name，和前面我们在调度器里找到 annotation 匹配逻辑就对应上了。

然后来到第二个循环：

  • pkg/controllers/job/job_controller_actions.go:373
go 复制代码 
// 遍历刚才组装的 podToCreate map
for taskName, podToCreateEachTask := range podToCreate {
    if len(podToCreateEachTask) == 0 {
        continue
    }
    go func(taskName string, podToCreateEachTask []*v1.Pod) {
        // ......

        for _, pod := range podToCreateEachTask {
            go func(pod *v1.Pod) {
                defer waitCreationGroup.Done()
                // 创建 Pods
                newPod, err := cc.kubeClient.CoreV1().Pods(pod.Namespace).Create(context.TODO(), pod, metav1.CreateOptions{})
                // ......
            }(pod)
        }
    }(taskName, podToCreateEachTask)
}

4. 总结

今天我们先顺着 Volcano Scheduler 部分的代码找到了 PodGroup 的处理逻辑，看到了 Scheduler 拿到 PodGroup 后会组装 JobInfo 对象；拿到 Pod 后会组装 TaskInfo 对象（这里根据 Pod 的注解中指定的 PodGroup 名字来将 TaskInfo 和 JobInfo 关联，也就是 Pod 和 PodGroup 的关联。

接着我们又从 Volcano Controller （Job Controller）中找到了 PodGroup 和 Pod 的创建逻辑。在 Job 对象创建后，控制器会根据 Job 的信息创建一个唯一对应的 PodGroup，然后根据 Job 中的 Tasks 信息创建一系列的 pods，这些 pods 会带上 PodGroup 名字（在注解里）

至此，我们知道了 Volcano 中调度器和控制器的职责分层，进一步也就能够理解 Volcano 如何和 kubeflow 等其他框架结合完成复杂任务的批调度过程了。（上层框架创建 PodGroup 和 Pods，Volcano 根据 PodGroup 信息和 Pods 注解信息完成批调度过程。

5. 最后

下一步？我也没想好。

看了几天 Volcano 的源码，整体感觉还是比较酣畅淋漓。一开始被调度器里的 Job 和 Task 概念带坑里，感觉代码很混乱；但是理解了 wrapper 的用意，知道了"调度"领域的 job 和 task 有不一样的含义后，今天再刷就很轻松了。

Volcano 源码整体还是 K8s 的"控制器+调度器"的逻辑，然后加上"任务调度领域"内的各种算法组成，代码质量总的来说还可以，就是部分函数过长，循环嵌套过多，加上注释和文档的缺失，对于新人并不友好。

下一步我尝试参与下 Volcano 社区，看能不能在"代码可读性"方向出一份力吧。

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