一文详解kubernetes 中资源分配的那些事
概要
在k8s中，kube-scheduler是Kubernetes中的调度器，用于将Pod调度到可用的节点上。在调度过程中，kube-scheduler需要了解节点和Pod的资源需求和可用性情况，其中CPU和内存是最常见的资源需求。那么这些资源的使用率是怎么来的呢？当Pod调度到节点上后，系统是如何约束Pod的资源使用而不影响其他Pod的？当资源使用率达到了申请的资源时，会发生什么？下面，我们就这些问题，详细展开说说。阅读本文，你将了解到
- k8s调度Pod时，节点的资源使用率是怎么来的
- k8s中配置的cpu的limit, request在节点上具体是通过什么参数来约束Pod的资源使用的
- 什么是empheral-storage资源，有什么用
- kubelet配置中关于资源管理的那些参数该怎么配置
用过k8s的同学应该都知道，我们在配置deployment的时候，我们一般都会为cpu和内存配置limit和request，那么这个配置具体在节点上是怎么限制的呢？
一个nginx的配置
cpu的request、limit分别是1个核和4个核，内存的request、limit分别是1Gi和4Gi（Gi=1024Mi,G=1000Mi）。我们都知道，资源的限制时使用cgroup实现的，那么Pod的资源是怎么实现的呢？我们去Pod所在的节点看下。
k8s的cpu限制的cgroup目录在 /sys/fs/cgroup/cpu/kubepods ，该目录内容如下
我们能看到besteffort 和 burstable两个目录，这两个目录涉及Pod的QoS
QoS（Quality of Service），大部分译为“服务质量等级”，又译作“服务质量保证”，是作用在 Pod 上的一个配置，当 Kubernetes 创建一个 Pod 时，它就会给这个 Pod 分配一个 QoS 等级，可以是以下等级之一：
- Guaranteed：Pod 里的每个容器都必须有内存/CPU 限制和请求，而且值必须相等。
- Burstable：Pod 里至少有一个容器有内存或者 CPU 请求且不满足 Guarantee 等级的要求，即内存/CPU 的值设置的不同。
- BestEffort：容器必须没有任何内存或者 CPU 的限制或请求。
这个东西的作用就是，当节点上出现资源压力的时候，会根据QoS的等级顺序进行驱逐，驱逐顺序为Guaranteed<Burstable<BestEffort。
我们的nginx对资源要求的配置根据上面的描述可以看到是Burstable类型的
我们进该目录看下：
里面的目录表示属于Burstable类型的Pod的cpu cgroup都配置在这个目录，再进到Pod所在目录，可以看到有2个目录，每个目录是容器的cpu cgroup目录，一个是nginx本身的，另外一个Infra容器（沙箱容器）。
我们进入nginx容器所在目录看下
我们重点看下红框内的三个文件的含义。
cpu.shares
cpu.shares用来设置CPU的相对值，并且是针对所有的CPU（内核），默认值是1024等同于一个cpu核心。 CPU Shares将每个核心划分为1024个片，并保证每个进程将按比例获得这些片的份额。如果有1024个片(即1核)，并且两个进程设置cpu.shares均为1024，那么这两个进程中每个进程将获得大约一半的cpu可用时间。
当系统中有两个cgroup，分别是A和B，A的shares值是1024，B 的shares值是512， 那么A将获得1024/(1024+512)=66%的CPU资源，而B将获得33%的CPU资源。shares有两个特点：
如果A不忙，没有使用到66%的CPU时间，那么剩余的CPU时间将会被系统分配给B，即B的CPU使用率可以超过33%。
如果添加了一个新的cgroup C，且它的shares值是1024，那么A的限额变成了1024/(1024+512+1024)=40%，B的变成了20%。
从上面两个特点可以看出：
在闲的时候，shares不起作用，只有在CPU忙的时候起作用。
由于shares是一个绝对值，单单看某个组的share是没有意义的，需要和其它cgroup的值进行比较才能得到自己的相对限额，而在一个部署很多容器的机器上，cgroup的数量是变化的，所以这个限额也是变化的，自己设置了一个高的值，但别人可能设置了一个更高的值，所以这个功能没法精确的控制CPU使用率。从share这个单词（共享的意思）的意思，我们也能够体会到这一点。
cpu.shares对应k8s内的resources.requests.cpu字段，值对应关系为：resources.requests.cpu * 1024 = cpu.share
cpu.cpu.cfs_period_us、cpu.cfs_quota_us
cpu.cfs_period_us用来配置时间周期长度，cpu.cfs_quota_us用来配置当前cgroup在设置的周期长度内所能使用的CPU时间数。 两个文件配合起来设置CPU的使用上限。两个文件的单位都是微秒（us），cfs_period_us的取值范围为1毫秒（ms）到1秒（s），cfs_quota_us的取值大于1ms即可，如果cfs_quota_us的值为-1（默认值），表示不受cpu时间的限制。
cpu.cpu.cfs_period_us、cpu.cfs_quota_us对应k8s中的resources.limits.cpu字段：resources.limits.cpu = cpu.cfs_quota_us/cpu.cfs_period_us
可以看到上面的nginx的这两个比值正好是4，表示nginx最多可以分配到4个CPU。此时，就算系统很空闲，上面说的share没有发挥作用，也不会分配超时4个CPU，这就是上限的限制。
在平时配置的时候，limit和request两者最好不要相差过大，否则节点CPU容易出现超卖情况，如limit/request=4，那么在调度的时候发现节点是有资源的，一旦调度完成后，Pod可能会由于跑出超过request的CPU，那么节点其他Pod可能就会出现资源”饥饿“情况，反映到业务就是请求反应慢。CPU 属于可压缩资源，内存属于不可压缩资源。当可压缩资源不足时，Pod 会饥饿，但是不会退出；当不可压缩资源不足时，Pod 就会因为 OOM 被内核杀掉。
资源使用率数据来源
这个问题还得从源码入手，首先我们看看kube-scheduler在调度的时候对于资源的判断都做了哪些事。kube-scheduler会使用informer监听集群内node的变化，如果有变化（如Node的状态，Node的资源情况等），则调用事件函数写入本地index store(cache)中，代码如下：
func addAllEventHandlers{
...
informerFactory.Core().V1().Nodes().Informer().AddEventHandler(
cache.ResourceEventHandlerFuncs{
AddFunc: sched.addNodeToCache,
UpdateFunc: sched.updateNodeInCache,
DeleteFunc: sched.deleteNodeFromCache,
},
)
...
如上，如果集群内加入了新节点，则会调用addNodeToCache函数将Node信息加入本地缓存，那么咱们来看看addNodeToCache函数：
func (sched *Scheduler) addNodeToCache(obj interface{}) {
node, ok := obj.(*v1.Node)
if !ok {
klog.ErrorS(nil, "Cannot convert to *v1.Node", "obj", obj)
return
}
nodeInfo := sched.Cache.AddNode(node)
klog.V(3).InfoS("Add event for node", "node", klog.KObj(node))
sched.SchedulingQueue.MoveAllToActiveOrBackoffQueue(queue.NodeAdd, preCheckForNode(nodeInfo))
}
从上面的代码我们看到，在把该节点加入cache后，还会调用MoveAllToActiveOrBackoffQueue 函数，对在 unschedulablePods (还没有调度的Pod队列)中的Pod进行一次Precheck ，如果MoveAllToActiveOrBackoffQueue** 函数如下
func (p *PriorityQueue) MoveAllToActiveOrBackoffQueue(event framework.ClusterEvent, preCheck PreEnqueueCheck) {
p.lock.Lock()
defer p.lock.Unlock()
unschedulablePods := make([]*framework.QueuedPodInfo, 0, len(p.unschedulablePods.podInfoMap))
for _, pInfo := range p.unschedulablePods.podInfoMap {
if preCheck == nil || preCheck(pInfo.Pod) {
unschedulablePods = append(unschedulablePods, pInfo)
}
}
p.movePodsToActiveOrBackoffQueue(unschedulablePods, event)
}
如果上述的Precheck通过后，则会把Pod移到相应的队列等待下一次调度。这里的重点来了，本文是讲关于资源相关的，那么Precheck中到底做了什么检查呢？
func preCheckForNode(nodeInfo *framework.NodeInfo) queue.PreEnqueueCheck {
// Note: the following checks doesn't take preemption into considerations, in very rare
// cases (e.g., node resizing), "pod" may still fail a check but preemption helps. We deliberately
// chose to ignore those cases as unschedulable pods will be re-queued eventually.
return func(pod *v1.Pod) bool {
admissionResults := AdmissionCheck(pod, nodeInfo, false)
if len(admissionResults) != 0 {
return false
}
_, isUntolerated := corev1helpers.FindMatchingUntoleratedTaint(nodeInfo.Node().Spec.Taints, pod.Spec.Tolerations, func(t *v1.Taint) bool {
return t.Effect == v1.TaintEffectNoSchedule
})
return !isUntolerated
}
}
func AdmissionCheck(pod *v1.Pod, nodeInfo *framework.NodeInfo, includeAllFailures bool) []AdmissionResult {
var admissionResults []AdmissionResult
insufficientResources := noderesources.Fits(pod, nodeInfo)
if len(insufficientResources) != 0 {
for i := range insufficientResources {
admissionResults = append(admissionResults, AdmissionResult{InsufficientResource: &insufficientResources[i]})
}
if !includeAllFailures {
return admissionResults
}
}
if matches, _ := corev1nodeaffinity.GetRequiredNodeAffinity(pod).Match(nodeInfo.Node()); !matches {
admissionResults = append(admissionResults, AdmissionResult{Name: nodeaffinity.Name, Reason: nodeaffinity.ErrReasonPod})
if !includeAllFailures {
return admissionResults
}
}
if !nodename.Fits(pod, nodeInfo) {
admissionResults = append(admissionResults, AdmissionResult{Name: nodename.Name, Reason: nodename.ErrReason})
if !includeAllFailures {
return admissionResults
}
}
if !nodeports.Fits(pod, nodeInfo) {
admissionResults = append(admissionResults, AdmissionResult{Name: nodeports.Name, Reason: nodeports.ErrReason})
if !includeAllFailures {
return admissionResults
}
}
return admissionResults
}
preCheckForNode 调用了AdmissionCheck，在AdmissionCheck中分别做了资源检查、亲和性检查、nodeName检查、端口检查。这里我们只关注资源的检查
func Fits(pod *v1.Pod, nodeInfo *framework.NodeInfo) []InsufficientResource {
return fitsRequest(computePodResourceRequest(pod), nodeInfo, nil, nil)
}
func fitsRequest(podRequest *preFilterState, nodeInfo *framework.NodeInfo, ignoredExtendedResources, ignoredResourceGroups sets.String) []InsufficientResource {
insufficientResources := make([]InsufficientResource, 0, 4)
allowedPodNumber := nodeInfo.Allocatable.AllowedPodNumber
if len(nodeInfo.Pods)+1 > allowedPodNumber {
insufficientResources = append(insufficientResources, InsufficientResource{
ResourceName: v1.ResourcePods,
Reason: "Too many pods",
Requested: 1,
Used: int64(len(nodeInfo.Pods)),
Capacity: int64(allowedPodNumber),
})
}
if podRequest.MilliCPU == 0 &&
podRequest.Memory == 0 &&
podRequest.EphemeralStorage == 0 &&
len(podRequest.ScalarResources) == 0 {
return insufficientResources
}
if podRequest.MilliCPU > (nodeInfo.Allocatable.MilliCPU - nodeInfo.Requested.MilliCPU) {
insufficientResources = append(insufficientResources, InsufficientResource{
ResourceName: v1.ResourceCPU,
Reason: "Insufficient cpu",
Requested: podRequest.MilliCPU,
Used: nodeInfo.Requested.MilliCPU,
Capacity: nodeInfo.Allocatable.MilliCPU,
})
}
if podRequest.Memory > (nodeInfo.Allocatable.Memory - nodeInfo.Requested.Memory) {
insufficientResources = append(insufficientResources, InsufficientResource{
ResourceName: v1.ResourceMemory,
Reason: "Insufficient memory",
Requested: podRequest.Memory,
Used: nodeInfo.Requested.Memory,
Capacity: nodeInfo.Allocatable.Memory,
})
}
if podRequest.EphemeralStorage > (nodeInfo.Allocatable.EphemeralStorage - nodeInfo.Requested.EphemeralStorage) {
insufficientResources = append(insufficientResources, InsufficientResource{
ResourceName: v1.ResourceEphemeralStorage,
Reason: "Insufficient ephemeral-storage",
Requested: podRequest.EphemeralStorage,
Used: nodeInfo.Requested.EphemeralStorage,
Capacity: nodeInfo.Allocatable.EphemeralStorage,
})
}
for rName, rQuant := range podRequest.ScalarResources {
if v1helper.IsExtendedResourceName(rName) {
// If this resource is one of the extended resources that should be ignored, we will skip checking it.
// rName is guaranteed to have a slash due to API validation.
var rNamePrefix string
if ignoredResourceGroups.Len() > 0 {
rNamePrefix = strings.Split(string(rName), "/")[0]
}
if ignoredExtendedResources.Has(string(rName)) || ignoredResourceGroups.Has(rNamePrefix) {
continue
}
}
if rQuant > (nodeInfo.Allocatable.ScalarResources[rName] - nodeInfo.Requested.ScalarResources[rName]) {
insufficientResources = append(insufficientResources, InsufficientResource{
ResourceName: rName,
Reason: fmt.Sprintf("Insufficient %v", rName),
Requested: podRequest.ScalarResources[rName],
Used: nodeInfo.Requested.ScalarResources[rName],
Capacity: nodeInfo.Allocatable.ScalarResources[rName],
})
}
}
return insufficientResources
}
fitsRequest 首先会调用computePodResourceRequest函数计算出这个Pod需要多少资源，然后跟目前节点还能分配的资源做比较，如果还能够分配出资源，那么针对于资源检查这一项就通过了。如果Precheck所有项都能通过，那么该Pod会被放入active队列，该队列里的Pod就会被kube-scheduler取出做调度。前面所说的目前节点资源情况是从哪里来的呢？kubelet会定期（或者node发生变化）上报心跳到Kube-apiserver，因为kube-scheduler监听了node的变化，所以能感知到节点的资源使用情况。
当Kube-scheduler从队列取到Pod后，会进行一系列的判断（如PreFilter），还会涉及资源的检查，这个资源使用情况也是kubelet上报的。
当我们describe 一个node的时候，可以看到能够显示资源allocatable的信息，那这个信息就是实时的资源使用情况吗？答案是否定的，我们看下
kubectl describe node xxxx
Capacity:
cpu: 64
ephemeral-storage: 1056889268Ki
hugepages-1Gi: 0
hugepages-2Mi: 0
memory: 263042696Ki
pods: 110
Allocatable:
cpu: 63
ephemeral-storage: 1044306356Ki
hugepages-1Gi: 0
hugepages-2Mi: 0
memory: 257799816Ki
pods: 110
注：本机是64U256G的机器
其中capacity是本机的硬件一共可以提供的资源，allocatable是可以分配的，那么为什么allocatable为什么会和capacity不一样呢？这里就涉及到了预留资源和驱逐相关内容
下kubelet相关配置：**
systemReserved:
cpu: "0.5"
ephemeral-storage: 1Gi
memory: 2Gi
pid: "1000"
kubeReserved:
cpu: "0.5"
ephemeral-storage: 1Gi
memory: 2Gi
pid: "1000
evictionHard:
imagefs.available: 10Gi
memory.available: 1Gi
nodefs.available: 10Gi
nodefs.inodesFree: 5%
systemReserved， kubeReserved分别 *表示预留给操作系统和kubernetes组件的资源，kubelet在上报可用资源的时候需要减去这部分资源；evictionHard表示资源只剩下这么多的时候，就会启动Pod的驱逐，所以这部分资源也不能算在可分配里面的。这么算起来，上面的capacity减去上述三者相加正好是allocatable的值，也就是该节点实际可分配的资源。他们的关系可以用下图表示
*
但是这里有个值得注意的点，上面通过describe出来的allocatable的值是一个静态的值，表示该节点总共可以分配多少资源，而不是此时此刻节点可以分配多少资源，kube-scheduler依据Kubelet动态上报的数据来判断某个节点是否能够调度。
还需要注意，要使systemReserved， kubeReserved配置的资源不算在可分配的资源里面，还需要配置如下配置：
# 该配置表示，capacity减去下面的配置的资源才是节点d当前可分配的
# 默认是pods，表示只减去pods占用了的资源
enforceNodeAllocatable:
- pods
- kube-reserved
- system-reserved
# 如果你使用的是systemd作为cgroup驱动，你还需要配置下面的配置
# 否则kubelet无法正常启动，因为找不到cgroup目录
# k8s官方推荐s会用systemd
kubeReservedCgroup: /kubelet.slice
systemReservedCgroup: /system.slice/kubelet.service
到这里，我们就简单讲了scheduler是如何在调度的时候，在资源层面是如何判断的。当然了，上面只简单讲了调度的时候pod被移到可调度队列的情况，后面还有prefilter、filter、score等步骤，但是这些步骤在判断资源情况时，跟上面是一样的。
以上就是一文详解kubernetes 中资源分配的那些事的详细内容，更多关于kubernetes 资源分配的资料请关注编程网其它相关文章！
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