Kubernetes聲明式API與編程範式

• 2021 年 4 月 5 日
• 筆記
• Kubernetes

聲明式API vs 命令時API

電腦系統是分層的，也就是下層做一些支援的工作，暴露介面給上層用。注意：語言的本質是一種介面。

電腦的最下層是CPU指令，其本質就是用「變數定義+順序執行+分支判斷+循環」所表達的邏輯過程。電腦應用的最上層是實現人類社會的某種功能。所以所有電腦編碼的過程，就是用邏輯表達現實的過程。層與層之間定義的借口，越接近現實的表達就叫越「聲明式」（declarative），越接近電腦的執行過程就叫越「命令式」（imperative）。注意這不是絕對的概念，而是相對的概念。

當介面越是在表達「要什麼」，就是越聲明式；越是在表達「要怎樣」，就是越命令式。SQL就是在表達要什麼（數據），而不是表達怎麼弄出我要的數據，所以它就很「聲明式」。C++就比C更聲明式，因為面向對象本身就是一種聲明式的體現。HTML也很聲明式，它只描述我要一張什麼樣的表，並不表達怎麼弄出一張表。

越是聲明式，意味著下層要做更多的東西，或者說能力越強。也意味著效率的損失。越是命令式，意味著上層對下層有更多的操作空間，可以按照自己特定的需求要求下層按照某種方式來處理。

Kubernetes聲明式API

想要使用Kubernetes 的 API 對象，需要編寫一個對應的 YAML 文件交給 Kubernetes，而聲明式API，則為kubectl apply 命令。而先 kubectl create，再 replace 的操作，稱為命令式配置文件操作，並不是聲明式API。

kube-apiserver 在響應命令式請求（如kubectl replace）的時候， 一次只能處理一個寫請求，否則會有產生衝突的可能；而對於聲明式請求（如kubectl apply），一次能處理多個寫操作，並且具備 Merge 能力。

聲明式 API是 Kubernetes 項目編排能力「賴以生存」的核心所在：

• 首先，「聲明式」就是提交一個定義好的API對象來聲明所期望的狀態是什麼

• 其次，聲明式API允許有多個API寫端，以PATCH的方式對API對象進行修改，而無需關心本地原始YAML文件的內容

  RESTful 使用POST來創建一個資源，使用PUT或者PATCH來更新一個資源
  
  區別是：
  – PUT用來整體更新一個資源，所以請求中必須包含完整的資源資訊。如果缺少部分資訊，會導致這部分數據被更新為NULL。
  – PATCH則是部分更新。僅更新提供的欄位，請求中缺少的欄位仍保持不變
  

• 最後，也是最重要的，有了上述兩個能力，Kubernetees項目才可以基於對API對象的增、刪、改、查在完全無需外界干預的情況下，完成對「實際狀態」和「期望狀態」的調諧(Reconcile)過程。

工作原理

首先知道一下一個 API 對象在 Etcd 里的完整資源路徑，是由：Group（API 組）、 Version（API 版本）和 Resource（API 資源類型）三個部分組成的，可以用如下圖的樹形結構表示出來：

API對象的組織方式是層層遞進的，Kubernetes會對Group、Version和Resource進行解析，也就是層層匹配，得到相應的對象定義，如Cronjob（Pod、Node 等核心API對象不需要Group，直接匹配Version）。

把YAML 文件提交給 Kubernetes 之後，創建出 API 對象的流程：以創建 CronJob為例

1. 發起創建CronJob的POST請求後，編寫的YAML的資訊就被提交給api-server

2. Api-server過濾這個請求，完成一些前置性的工作，比如授權、超時處理、審計等

3. 請求進入mux和routes流程，mux和routees是api-server完成url和handler綁定的場所，api-server的Handler要做的事情就是按照層層匹配的過程，找到對應的CronJob類型定義

4. Api-server根據crontJob類型定義，使用用戶提交的YAML文件里的欄位，創建一個CrontJob對象

   Api-server會進行一個convert工作，即把用戶提交的YAML文件轉換成一個叫做Super Version的對象，它正是該API資源類型所有版本的欄位全集，這樣用戶提交的不同版本的YAML就都可以用這個Super Version對象來進行處理了

5. 先後進行admission()和validation()操作

   Admission Controller和Initializer都屬於Admission的內容，Validation負責驗證這個對象里的各個欄位是否合法，這個被驗證過的API對象，都保存在來api-server里一個叫做Registry的數據結構中，也就是說只要一個API對象的定義能在Registry里查到，他就是一個有效的Kubernetes API對象

6. 把驗證過的API對象轉換成用戶最初提交的版本，進行序列化操作，並調用Etcd的API把它保存起來

自定義API對象

如果想要添加自定義API資源類型，建議使用CRD（ Custom Resource Definition），它允許用戶在 Kubernetes 中添加一個跟 Pod、Node 類似的、新的 API 資源類型，即：自定義 API 資源。

使用CRD創建出自定義API對象後，就是為這個 API 對象編寫一個自定義控制器（Custom Controller），這樣， Kubernetes 才能根據 自定義 API 對象的「增、刪、改」操作，在真實環境中做出相應的響應。

編寫自定義控制器分為三個過程：編寫 main 函數、編寫自定義控制器的定義，以編寫控制器里的業務邏輯。

自定義控制器工作流程

1. 首先從 Kubernetes 的 APIServer 里獲取它所關心的對象，也就是自定義的控制器對象。這個操作，依靠的是一個叫作 Informer（通知器）的程式碼庫完成的；Informer 與 API 對象是一一對應的，所以需要傳遞給自定義控制器一個Informer；

   Informer是一個帶有本地快取和索引機制的、可以註冊EventHandler 的 client。它是自定義控制器跟 APIServer 進行數據同步的重要組件。

   創建Informer的時候需要傳一個Client，Informer 正是使用Client，跟 APIServer 建立了連接；真正負責維護這個連接的是 Informer 所使用的 Reflector 包。

   Reflector 使用的是一種叫作ListAndWatch的方法，來「獲取」並「監聽」這些API對象實例的變化（Informer通過 ListAndWatch，把 APIServer 中的 API 對象快取在了本地，並負責更新和維護這個快取。）在 ListAndWatch 機制下，一旦 APIServer 端有新的API對象實例被創建、刪除或者更新， Reflector 都會收到「事件通知」；這時，該事件及它對應的 API 對象這個組合，就被稱為增量 （Delta），它會被放進一個 Delta FIFO Queue（即：增量先進先出隊列）中；Informe 會不斷地從 Delta FIFO Queue 里讀取（Pop）增量。每拿到一個增量，Informer 就會判斷這個增量里的事件類型，然後創建或者更新本地對象的快取；這個快取，在 Kubernetes 里一般被叫作 Store

   Informer 的第二個職責，則是根據這些事件的類型，觸發事先註冊好的 ResourceEventHandler；
   這些 Handler，需要在創建控制器的時候註冊給它對應的 Informer。

2. Informer 與要編寫的控制循環之間，則使用了一個工作隊列來進行協同，防止控制循環執行過慢把Informer拖死。

3. 接下來就是熟悉的控制循環的邏輯了

參考鏈接：

//www.zhihu.com/question/22285830/answer/469177185

//www.pianshen.com/article/40791568713/