Kubernetes StatefulSet 详细总结

1. StatefulSet 概述

StatefulSet 是 Kubernetes 中用于管理有状态应用的工作负载 API 对象。与 Deployment 不同，StatefulSet 为每个 Pod 维护一个粘性标识，确保 Pod 的有序部署、扩展、更新和删除。

主要特点：

• 稳定的网络标识：每个 Pod 有固定的主机名和 DNS 名称
• 稳定的持久化存储：使用 PersistentVolume 为每个 Pod 提供专用存储
• 有序的部署和扩展：按顺序创建/删除 Pod（从 0 到 N-1）
• 有序的滚动更新：按顺序更新 Pod（从 N-1 到 0）

2. StatefulSet 核心概念

2.1 Pod 标识

• 稳定的主机名：Pod 名称为 <statefulset-name>-<ordinal-index>
• 稳定的 DNS：<pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local

2.2 持久化存储

• 使用 volumeClaimTemplates 为每个 Pod 自动创建 PVC
• 每个 Pod 获得自己独立的 PersistentVolume

2.3 有序性保证

• 创建、扩展、删除和更新都遵循严格的顺序
• 前一个 Pod 必须 Running & Ready 才会处理下一个

3. StatefulSet 典型使用场景

1. 数据库集群：如 MySQL 主从、MongoDB 副本集等
2. 分布式系统：如 ZooKeeper、etcd、Elasticsearch 等
3. 需要持久化存储的应用：如消息队列、文件存储服务等
4. 需要稳定网络标识的应用：如需要固定 IP/DNS 的服务

4. StatefulSet 配置详解

4.1 基本配置示例

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.19
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

4.2 关键字段解释

• serviceName: 必须指定，用于 Pod 的网络标识
• volumeClaimTemplates: 定义 PVC 模板，为每个 Pod 创建独立的 PVC
• podManagementPolicy:
  • OrderedReady (默认): 有序创建/删除
  • Parallel: 并行创建/删除 Pod

5. StatefulSet 操作

5.1 创建 StatefulSet

kubectl apply -f statefulset.yaml

5.2 查看 StatefulSet

kubectl get statefulset
kubectl describe statefulset <name>

5.3 扩缩容

kubectl scale statefulset <name> --replicas=5

5.4 更新 StatefulSet

kubectl edit statefulset <name>
# 或
kubectl apply -f updated-statefulset.yaml

5.5 删除 StatefulSet

kubectl delete statefulset <name>
# 可选择是否删除关联的 Pod
kubectl delete statefulset <name> --cascade=orphan

6. StatefulSet 网络与服务

6.1 Headless Service

StatefulSet 通常配合 Headless Service 使用：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
spec:
  clusterIP: None  # 这是 Headless Service 的关键
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    name: web

6.2 DNS 记录

每个 Pod 会获得如下 DNS 记录：

• web-0.nginx.default.svc.cluster.local
• web-1.nginx.default.svc.cluster.local
• …

7. StatefulSet 存储管理

7.1 卷声明模板

volumeClaimTemplates 为每个 Pod 创建 PVC:

volumeClaimTemplates:
- metadata:
    name: data
  spec:
    accessModes: ["ReadWriteOnce"]
    resources:
      requests:
        storage: 10Gi

7.2 持久化存储生命周期

• StatefulSet 删除时，PVC 默认保留
• 需要手动删除 PVC 来释放 PV

8. StatefulSet 更新策略

8.1 更新类型

• RollingUpdate (默认): 顺序更新 Pod
• OnDelete: 手动删除 Pod 时触发更新

8.2 分区更新

可以指定分区进行金丝雀发布：

updateStrategy:
  type: RollingUpdate
  rollingUpdate:
    partition: 2  # 只有序号 >=2 的 Pod 会被更新

9. StatefulSet 与 Deployment 对比

10. 最佳实践

1. 始终定义 serviceName: 确保稳定的网络标识
2. 合理设置资源请求和限制: 特别是数据库类应用
3. 考虑使用反亲和性: 避免 Pod 集中在同一节点
4. 备份持久化数据: StatefulSet 删除不会自动删除 PVC
5. 监控就绪探针: 确保有序操作的正确性
6. 考虑 Pod 中断预算: 保证最小可用实例数

11. 常见问题与解决方案

Q1: StatefulSet Pod 卡在 Terminating 状态

• 原因: 通常是由于 PV 无法卸载
• 解决: 检查存储插件或强制删除 Pod (kubectl delete pod <name> --grace-period=0 --force)

Q2: 扩展 StatefulSet 速度慢

• 原因: 有序创建，前一个 Pod 必须 Ready 才会创建下一个
• 解决: 确保应用快速启动，或考虑使用 podManagementPolicy: Parallel

Q3: 如何替换失败的 Pod

kubectl delete pod web-2
# StatefulSet 会自动创建同名 Pod 并挂载原有 PVC

12. 高级特性解析

12.1 初始化容器 (Init Containers)

作用： 初始化容器在主应用容器启动之前运行，用于准备应用运行所需的环境或配置。

典型用途：

• 等待依赖服务就绪（如数据库）
• 从远程仓库下载配置文件或密钥
• 设置文件系统权限
• 执行数据库迁移等初始化操作

示例中的用法：

initContainers:
- name: init
  image: busybox
  command: ['sh', '-c', '...']

这里使用 busybox 镜像运行一个 shell 命令来执行初始化任务。

12.2 拓扑分布约束 (Topology Spread Constraints)

作用： 控制 Pod 在集群中的分布策略，确保 Pod 在不同拓扑域（如节点、区域等）中均匀分布。

关键参数：

• maxSkew: 允许的不平衡程度（必须大于0）
• topologyKey: 节点标签的键，用于定义拓扑域（如 “zone”、“hostname”）
• whenUnsatisfiable: 无法满足约束时的行为（DoNotSchedule 或 ScheduleAnyway）
• labelSelector: 用于匹配要约束的 Pod

示例中的用法：

topologySpreadConstraints:
- maxSkew: 1
  topologyKey: zone
  whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
  labelSelector:
    matchLabels:
      app: nginx

这表示 nginx Pod 在不同 zone 之间的数量差异不超过 1，如果无法满足就不调度。

12.3 Pod 生命周期钩子 (Lifecycle Hooks)

作用： 允许在容器生命周期的特定阶段执行自定义操作。

两种钩子：

1. postStart: 容器启动后立即执行
2. preStop: 容器终止前执行

示例中的用法：

lifecycle:
  postStart:
    exec:
      command: ["/bin/sh", "-c", "echo Hello from postStart > /usr/share/message"]
  preStop:
    exec:
      command: ["/bin/sh", "-c", "nginx -s quit"]

• postStart: 容器启动后写入欢迎消息
• preStop: 容器停止前优雅关闭 nginx