K8s控制器详解：从原理到实战

在 Kubernetes（K8s）中，控制器（Controller） 是核心组件，用于实现对 Pod 及其他资源的自动化管理，确保集群状态始终符合用户定义的 "期望状态"。控制器通过监控集群状态，自动调整资源（如创建 / 删除 Pod、扩展副本数），实现自愈、扩缩容、滚动更新等核心功能。

一、控制器核心概念

• 期望状态（Desired State）：用户通过 YAML 配置定义的目标状态（如 "3 个 nginx 副本"）。
• 实际状态（Current State）：集群中资源的当前运行状态。
• 控制循环（Control Loop）：控制器持续监控实际状态，对比期望状态，通过 "调谐（Reconciliation）" 操作消除差异（如实际副本数不足时创建新 Pod）。

二、常用控制器类型及应用场景

K8s 提供多种控制器，适用于不同业务场景，以下是最常用的几种：

1. Deployment（部署控制器）

功能 ：管理无状态应用的 Pod 和 ReplicaSet，支持滚动更新、版本回滚、扩缩容。适用场景：Web 服务、API 接口等无状态应用（实例可替换，无顺序依赖）。

核心特性：

• 自动创建 ReplicaSet（副本集），通过 ReplicaSet 管理 Pod。
• 支持滚动更新（逐步替换旧 Pod，避免服务中断）。
• 保留历史版本，可一键回滚到之前的状态。

示例：创建 Deployment（nginx-deploy.yaml）

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deploy
spec:
  replicas: 3  # 期望 3 个副本
  selector:    # 匹配 Pod 的标签（必须与 template 中 labels 一致）
    matchLabels:
      app: nginx
  template:    # Pod 模板（定义 Pod 规格）
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80

常用操作：

# 创建 Deployment
kubectl apply -f nginx-deploy.yaml

# 查看 Deployment 和 ReplicaSet
kubectl get deployments
kubectl get replicasets

# 扩缩容（调整副本数）
kubectl scale deployment nginx-deploy --replicas=5

# 滚动更新镜像
kubectl set image deployment nginx-deploy nginx=nginx:1.25

# 查看更新状态
kubectl rollout status deployment nginx-deploy

# 回滚到上一版本
kubectl rollout undo deployment nginx-deploy

2. StatefulSet（有状态集控制器）

功能 ：管理有状态应用的 Pod，确保每个 Pod 有固定的名称、网络标识和存储。适用场景：数据库（如 MySQL、MongoDB）、分布式系统（如 ZooKeeper、Kafka）等有状态应用（实例不可替换，有顺序 / 依赖关系）。

核心特性：

• 每个 Pod 有固定名称（<statefulset-name>-<ordinal-index>，如 mysql-0、mysql-1）。
• 稳定的网络标识（通过 Headless Service 提供固定 DNS 记录）。
• 持久化存储（每个 Pod 关联独立的 PVC，数据不随 Pod 重建丢失）。
• 有序部署 / 删除（部署时从 0 到 N-1，删除时从 N-1 到 0）。

示例：StatefulSet 核心配置

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: "mysql-headless"  # 关联的 Headless Service（提供 DNS）
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:8.0
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "rootpass"
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
  volumeClaimTemplates:  # 存储模板（自动创建 PVC）
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

3. DaemonSet（守护进程集控制器）

功能 ：确保集群中所有（或指定）节点运行相同的 Pod，新节点加入时自动部署 Pod。适用场景：节点级服务，如日志收集（Fluentd）、监控代理（Prometheus Node Exporter）、网络插件（Calico 节点组件）。

核心特性：

• 每个节点默认运行一个 Pod（可通过节点选择器限制）。
• 节点删除时，对应的 Pod 自动删除。

示例：DaemonSet（部署监控代理）

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: node-exporter
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: node-exporter
  template:
    metadata:
      labels:
        app: node-exporter
    spec:
      containers:
      - name: node-exporter
        image: prom/node-exporter:v1.5.0
        ports:
        - containerPort: 9100

4. Job（任务控制器）

功能 ：管理一次性任务（执行完成后终止的 Pod），确保任务成功完成。适用场景：数据备份、批量计算、初始化操作等短期任务。

核心特性：

• 任务完成（Pod 状态为 Succeeded）后停止。
• 支持并行执行（parallelism）和重试（backoffLimit）。

示例：Job（执行一次性命令）

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: backup-job
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: backup
        image: busybox:1.35
        command: ["sh", "-c", "echo 'Backup done' && sleep 10"]  # 模拟备份任务
      restartPolicy: Never  # 任务型 Pod 通常设为 Never 或 OnFailure
  backoffLimit: 4  # 最大重试次数（默认 6）

5. CronJob（定时任务控制器）

功能 ：基于时间调度的 Job，类似 Linux 的 cron 服务，按周期重复执行任务。适用场景：定时备份、日志清理、周期性数据同步等。

核心特性：

• 按 schedule 字段定义的 cron 表达式触发（如 0 3 * * * 表示每天凌晨 3 点）。
• 可配置任务历史保留策略（successfulJobsHistoryLimit、failedJobsHistoryLimit）。

示例：CronJob（每天清理日志）

apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  name: log-cleanup
spec:
  schedule: "0 3 * * *"  # 每天凌晨 3 点执行
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          containers:
          - name: cleanup
            image: busybox:1.35
            command: ["sh", "-c", "rm -rf /var/log/*"]  # 模拟清理日志
          restartPolicy: OnFailure
  successfulJobsHistoryLimit: 3  # 保留 3 个成功任务记录
  failedJobsHistoryLimit: 1      # 保留 1 个失败任务记录

6. ReplicaSet（副本集控制器）

功能 ：确保指定数量的 Pod 副本始终运行（维持期望副本数）。注意：Deployment 已封装 ReplicaSet 功能，直接使用 Deployment 更推荐（支持更新和回滚），ReplicaSet 通常不单独使用。

示例：ReplicaSet 核心配置

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: nginx-rs
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:alpine

三、控制器核心原理：以 Deployment 为例

1. 用户创建 Deployment，定义期望副本数（如 3）和 Pod 模板。
2. Deployment 自动创建 ReplicaSet，并将期望副本数传递给 ReplicaSet。
3. ReplicaSet 监控 Pod 状态：
   • 若实际副本数 < 期望数（如 Pod 故障被删除），则创建新 Pod。
   • 若实际副本数 > 期望数，则删除多余 Pod。
4. 当更新 Deployment（如修改镜像），会创建新的 ReplicaSet，逐步替换旧 ReplicaSet 的 Pod（滚动更新），旧 ReplicaSet 保留为历史版本（可回滚）。

四、控制器使用最佳实践

1. 无状态选 Deployment：Web 服务、API 等用 Deployment，利用其滚动更新和回滚能力。
2. 有状态选 StatefulSet：数据库、分布式系统等用 StatefulSet，确保稳定的标识和存储。
3. 节点级服务选 DaemonSet：监控、日志收集等需在每个节点运行的服务用 DaemonSet。
4. 一次性任务用 Job：批量处理、备份等短期任务用 Job；定时任务用 CronJob。
5. 避免直接创建 Pod：Pod 无自愈能力，通过控制器管理可自动恢复故障实例。

总结

控制器是 K8s 自动化管理的核心，通过声明式配置实现 "期望状态" 与 "实际状态" 的自动对齐。选择合适的控制器类型（如 Deployment 管理无状态应用，StatefulSet 管理有状态应用）是构建稳定、可扩展 K8s 集群的关键。