Kubernetes 源码剖析与实战， 孔令飞

以下是针对零基础学习Kubernetes源码的阶梯式指南，结合关键组件图解和可运行的代码实验，帮助理解分布式系统设计精髓：

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一、源码阅读准备阶段

1. 开发环境构建（Go语言特调）

# 推荐Go环境配置（兼容K8s 1.28+）
go install golang.org/dl/go1.21@latest
go1.21 download
export GOPATH=$HOME/go-k8s-debug  # 独立环境隔离

2. 极简集群搭建（kind快速部署）

# kind-config.yaml
kind: Cluster
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
nodes:
- role: control-plane
  extraMounts:
  - hostPath: $(pwd)/code  # 挂载源码目录
    containerPath: /k8s-code

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二、核心组件源码地图

1. 组件交互关系图

graph TB API-Server -->|etcd| ETCD API-Server -->|Watch| Controller-Manager API-Server -->|Admission| Scheduler Scheduler -->|Bind| Kubelet Kubelet -->|CRI| Container-Runtime

2. 关键代码路径导航

kubernetes/
├── cmd/                  # 入口文件
│   ├── kube-apiserver/
│   ├── kube-controller-manager/
├── pkg/                  # 核心逻辑
│   ├── controller/       # 控制器模式实现
│   ├── scheduler/        # 调度算法
│   ├── kubelet/          # 节点管理
├── staging/src/          # 公共库
│   ├── k8s.io/client-go/ # 官方Go客户端

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三、API Server深度剖析

1. 请求处理流水线

// k8s.io/apiserver/pkg/server/config.go
func DefaultBuildHandlerChain(handler http.Handler) http.Handler {
    handler = filters.WithAuthorization(handler)  // 认证
    handler = filters.WithAudit(handler)         // 审计
    handler = filters.WithPriorityAndFairness(handler) // 限流
    return handler
}

2. 存储层交互实验

# 使用curl模拟etcd操作
ETCDCTL_API=3 etcdctl --endpoints=localhost:2379 \
    put /registry/pods/default/nginx '{"spec": {"containers": [{"name":"nginx"}]}}'

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四、Controller Manager工作原理解析

1. 控制器模式实现

// k8s.io/controller-manager/controller.go
func (c *DeploymentController) Run(workers int, stopCh <-chan struct{}) {
    for i := 0; i < workers; i++ {
        go wait.Until(c.worker, time.Second, stopCh)
    }
}

func (c *DeploymentController) worker() {
    for c.processNextWorkItem() {  // 持续监听变更
        // 调谐逻辑
        c.syncHandler(key)
    }
}

2. 自定义控制器Demo

// 简化的控制器框架
func main() {
    clientset := kubernetes.NewForConfig(config)
    lw := cache.NewListWatchFromClient(
        clientset.AppsV1().RESTClient(),
        "deployments",
        "default",
        fields.Everything())
    
    controller := NewController(clientset, lw)
    controller.Run(stopCh)
}

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五、Scheduler调度算法实战

1. 调度流水线图示

graph LR A[预选] --> B[优选] B --> C[绑定]

2. 自定义调度策略

// 实现PriorityFunction
func BalancedResourcePriority(pod *v1.Pod, node *v1.Node) (int, error) {
    cpuRatio := node.Status.Allocatable.Cpu().MilliValue() / 1000
    memRatio := node.Status.Allocatable.Memory().Value() / (1024 * 1024)
    return int(cpuRatio + memRatio), nil
}

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六、Kubelet容器管理揭秘

1. Pod生命周期管理

// k8s.io/kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go
func (kl *Kubelet) syncPod(pod *v1.Pod) error {
    // 1. 拉取镜像
    if err := kl.imageManager.EnsureImageExists(pod); err != nil {...}
    
    // 2. 创建容器
    containerChanges := kl.computePodActions(pod)
    if containerChanges.StartInfraContainer {
        kl.containerRuntime.StartContainer(...)
    }
}

2. CRI接口实验

# 查看containerd管理的容器
sudo ctr -n k8s.io containers ls

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七、动手实验指南

1. 代码热修改调试

# 快速编译单个组件
cd kubernetes/cmd/kube-scheduler
go build -gcflags="all=-N -l"  # 禁用优化便于调试
dlv exec ./kube-scheduler -- --kubeconfig=...

2. 关键流程跟踪

// 添加调试日志示例
klog.Infof("Processing pod %s on node %s", pod.Name, node.Name)

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八、学习路线图

timeline title K8s源码学习阶段 第1周 : 搭建调试环境，阅读API Server 第2周 : 分析Controller工作模式 第3周 : 深入Scheduler算法 第4周 : 研究Kubelet容器运行时 第6周 : 尝试二次开发

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九、避坑指南

1. 调试技巧 ：使用kubectl --v=9查看详细API请求
2. 代码导航：VS Code安装Go插件+代码跳转
3. 性能分析 ：pprof抓取调度器性能数据
4. 测试方案 ：本地运行hack/local-up-cluster.sh

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随书配套资源：

• 可交互的K8s架构可视化工具
• 关键组件的调用关系图（.drawio源文件）
• 300个精心注释的代码片段
• 中文版K8s设计文档集合