Kubernetes 中如何保证优雅地停止 Pod

一直以来我对优雅地停止 Pod 这件事理解得很单纯: 不就利用是 PreStop hook 做优雅退出吗? 但这周听了组里大哥的教诲之后,发现很多场景下 PreStop hook 并不能很好地完成需求,这篇文章就简单分析一下”优雅地停止 Pod”这回事儿.

何谓优雅停止?

优雅停止(Graceful shutdown)这个说法来自于操作系统,我们执行关机之后都得 OS 先完成一些清理操作,而与之相对的就是硬中止(Hard shutdown),比如拔电源。

到了分布式系统中,优雅停止就不仅仅是单机上进程自己的事了,往往还要与系统中的其它组件打交道。比如说我们起一个微服务,网关把一部分流量分给我们,这时:

  • 假如我们一声不吭直接把进程杀了,那这部分流量就无法得到正确处理,部分用户受到影响。不过还好,通常来说网关或者服务注册中心会和我们的服务保持一个心跳,过了心跳超时之后系统会自动摘除我们的服务,问题也就解决了;这是硬中止,虽然我们整个系统写得不错能够自愈,但还是会产生一些抖动甚至错误;
  • 假如我们先告诉网关或服务注册中心我们要下线,等对方完成服务摘除操作再中止进程,那不会有任何流量受到影响;这是优雅停止,将单个组件的启停对整个系统影响最小化;

按照惯例,SIGKILL 是硬终止的信号,而 SIGTERM 是通知进程优雅退出的信号,因此很多微服务框架会监听 SIGTERM 信号,收到之后去做反注册等清理操作,实现优雅退出.

PreStop Hook

回到 Kubernetes(下称 k8s),当我们想干掉一个 Pod 的时候,理想状况当然是 k8s 从对应的 Service(假如有的话)把这个 Pod 摘掉,同时给 Pod 发 SIGTERM 信号让 Pod 中的各个容器优雅退出就行了。但实际上 Pod 有可能犯各种幺蛾子:

  • 已经卡死了,处理不了优雅退出的代码逻辑或需要很久才能处理完成;
  • 优雅退出的逻辑有 BUG,自己死循环了;
  • 代码写得野,根本不理会 SIGTERM;

因此,k8s 的 Pod 终止流程中还有一个”最多可以容忍的时间”,即 grace period (在 pod 的 .spec.terminationGracePeriodSeconds 字段中定义),这个值默认是 30 秒,我们在执行 kubectl delete 的时候也可通过 --grace-period 参数显式指定一个优雅退出时间来覆盖 pod 中的配置。而当 grace period 超出之后,k8s 就只能选择 SIGKILL 强制干掉 Pod 了.

很多场景下,除了把 Pod 从 k8s 的 Service 上摘下来以及进程内部的优雅退出之外,我们还必须做一些额外的事情,比如说从 k8s 外部的服务注册中心上反注册。这时就要用到 PreStop hook 了,k8s 目前提供了 Exec 和 HTTP 两种 PreStop hook,实际用的时候,需要通过 Pod 的 .spec.containers[].lifecycle.preStop 字段为 Pod 中的每个容器单独配置,比如:

spec:
  contaienrs:
  - name: my-awesome-container
    lifecycle:
      preStop:
        exec:
          command: ["/bin/sh""-c""/pre-stop.sh"]

/pre-stop.sh 脚本里就可以写我们自己的清理逻辑.

最后我们串起来再整个表述一下 Pod 退出的流程(官方文档里更严谨哦):

  • 1.用户删除 Pod
  • 2.1.Pod 进入 Terminating 状态;
  • 2.2.与此同时,k8s 会将 Pod 从对应的 service 上摘除;
  • 2.3.与此同时,针对有 preStop hook 的容器,kubelet 会调用每个容器的 preStop hook,假如 preStop hook 的运行时间超出了 grace period,kubelet 会发送 SIGTERM 并再等 2 秒;
  • 2.4.与此同时,针对没有 preStop hook 的容器,kubelet 发送 SIGTERM
  • 3.grace period 超出之后,kubelet 发送 SIGKILL 干掉尚未退出的容器

这个过程很不错,但它存在一个问题就是我们无法预测 Pod 会在多久之内完成优雅退出,也无法优雅地应对”优雅退出”失败的情况。而在我们的产品 tidb-operator 中,这就是一个无法接受的事情.

有状态分布式应用的挑战

为什么说无法接受这个流程呢? 其实这个流程对无状态应用来说通常是 OK 的,但下面这个场景就稍微复杂一点:

TiDB 中有一个核心的分布式 KV 存储层 TiKV。TiKV 内部基于 Multi-Raft 做一致性存储,这个架构比较复杂,这里我们可以简化描述为一主多从的架构,Leader 写入,Follower 同步。而我们的场景是要对 TiKV 做计划性的运维操作,比如滚动升级,迁移节点.

在这个场景下,尽管系统可以接受小于半数的节点宕机,但对于预期性的停机,我们要尽量做到优雅停止。这是因为数据库场景本身就是非常严苛的,基本上都处于整个架构的核心部分,因此我们要把抖动做到越小越好。要做到这点,就得做不少清理工作,比如说我们要在停机前将当前节点上的 Leader 全部迁移到其它节点上.

得益于系统的良好设计,大多数时候这类操作都很快,然而分布式系统中异常是家常便饭,优雅退出耗时过长甚至失败的场景是我们必须要考虑的。假如类似的事情发生了,为了业务稳定和数据安全,我们就不能强制关闭 Pod,而应该停止操作过程,通知工程师介入。 这时,上面所说的 Pod 退出流程就不再适用了.

小心翼翼: 手动控制所有流程

这个问题其实 k8s 本身没有开箱即用的解决方案,于是我们在自己的 Controller 中(TiDB 对象本身就是一个 CRD) 与非常细致地控制了各种操作场景下的服务启停逻辑.

抛开细节不谈,最后的大致逻辑是在每次停服务前,由 Controller 通知集群进行节点下线前的各种迁移操作,操作完成后,才真正下线节点,并进行下一个节点的操作.

而假如集群无法正常完成迁移等操作或耗时过久,我们也能”守住底线”,不会强行把节点干掉,这就保证了诸如滚动升级,节点迁移之类操作的安全性.

但这种办法存在一个问题就是实现起来比较复杂,我们需要自己实现一个控制器,在其中实现细粒度的控制逻辑并且在 Controller 的控制循环中不断去检查能否安全停止 Pod。

另辟蹊径: 解耦 Pod 删除的控制流

复杂的逻辑总是没有简单的逻辑好维护,同时写 CRD 和 Controller 的开发量也不小,能不能有一种更简洁,更通用的逻辑,能实现”保证优雅关闭(否则不关闭)“的需求呢?

有,办法就是 ValidatingAdmissionWebhook

这里先介绍一点点背景知识,Kubernetes 的 apiserver 一开始就有 AdmissionController 的设计,这个设计和各类 Web 框架中的 Filter 或 Middleware 很像,就是一个插件化的责任链,责任链中的每个插件针对 apiserver 收到的请求做一些操作或校验。举两个插件的例子:

  • DefaultStorageClass,为没有声明 storageClass 的 PVC 自动设置 storageClass
  • ResourceQuota,校验 Pod 的资源使用是否超出了对应 Namespace 的 Quota

虽然说这是插件化的,但在 1.7 之前,所有的 plugin 都需要写到 apiserver 的代码中一起编译,很不灵活。而在 1.7 中 k8s 就引入了 Dynamic Admission Control 机制,允许用户向 apiserver 注册 webhook,而 apiserver 则通过 webhook 调用外部 server 来实现 filter 逻辑。1.9 中,这个特性进一步做了优化,把 webhook 分成了两类: MutatingAdmissionWebhook 和 ValidatingAdmissionWebhook,顾名思义,前者就是操作 api 对象的,比如上文例子中的 DefaultStroageClass,而后者是校验 api 对象的,比如 ResourceQuota。拆分之后,apiserver 就能保证在校验(Validating)之前先做完所有的修改(Mutating),下面这个示意图非常清晰:

Kubernetes 中如何保证优雅地停止 Pod

而我们的办法就是,利用 ValidatingAdmissionWebhook,在重要的 Pod 收到删除请求时,先在 webhook server 上请求集群进行下线前的清理和准备工作,并直接返回拒绝。这时候重点来了,Control Loop 为了达到目标状态(比如说升级到新版本),会不断地进行 reconcile,尝试删除 Pod,而我们的 webhook 则会不断拒绝,除非集群已经完成了所有的清理和准备工作.

下面是这个流程的分步描述:

Kubernetes 中如何保证优雅地停止 Pod
  1. 用户更新资源对象;
  2. controller-manager watch 到对象变更;
  3. controller-manager 开始同步对象状态,尝试删除第一个 Pod;
  4. apiserver 调用外部 webhook;
  5. webhook server 请求集群做 tikv-1 节点下线前的准备工作(这个请求是幂等的),并查询准备工作是否完成,假如准备完成,允许删除,假如没有完成,则拒绝,整个流程会因为 controller manager 的控制循环回到第 2 步;

好像一下子所有东西都清晰了,这个 webhook 的逻辑很清晰,就是要保证所有相关的 Pod 删除操作都要先完成优雅退出前的准备,完全不用关心外部的控制循环是怎么跑的,也因此,它非常容易编写和测试,非常优雅地满足了我们”保证优雅关闭(否则不关闭)“的需求,目前我们正在考虑用这种方式替换线上的旧方案.

后记

其实 Dynamic Admission Control 的应用很广,比如 Istio 就是用 MutatingAdmissionWebhook 来实现 envoy 容器的注入的。从上面的例子中我们也可以看到它的扩展能力很强,而且常常能站在一个正交的视角上,非常干净地解决问题,与其它逻辑做到很好的解耦.

当然了,Kubernetes 中还有非常多的扩展点,从 kubectl 到 apiserver,scheduler,kubelet(device plugin,flexvolume),自定义 Controller 再到集群层面的网络(CNI),存储(CSI) 可以说是处处可以做事情。以前做一些常规的微服务部署对这些并不熟悉也没用过,而现在面对 TiDB 这样复杂的分布式系统,尤其在 Kubernetes 对有状态应用和本地存储的支持还不够好的情况下,得在每一个扩展点上去悉心考量,做起来非常有意思,因此后续可能还有一些 tidb-operator 中思考过的解决方案分享.

原文链接:https://aleiwu.com/post/tidb-opeartor-webhook/

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