Kubernetes的资源模型与资源管理(20250219)

Kubernetes的资源模型与资源管理(20250219)

​ Pod 是最小的原子调度单位。这也就意味着，所有跟调度和资源管理相关的属性都应该是属于 Pod 对象的字段。而这其中最重要的部分，就是 Pod 的 CPU 和内存配置

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: frontend
spec:
  containers:
  - name: db
    image: mysql
    env:
    - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
      value: "password"
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"
  - name: wp
    image: wordpress
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"

​ 在 Kubernetes 中，像 CPU 这样的资源被称作“可压缩资源”（compressible resources）。它的典型特点是，当可压缩资源不足时，Pod 只会“饥饿”，但不会退出。

​ 而像内存这样的资源，则被称作“不可压缩资源（incompressible resources）。当不可压缩资源不足时，Pod 就会因为 OOM（Out-Of-Memory）被内核杀掉。

​ CPU是可压缩资源，当CPU不足时POD只会饥饿不会退出。内存和硬盘是不可压缩资源，当不可压缩资源不足时，POD就会因为OOM等被内核杀掉

​ Kubernetes 里为 CPU 设置的单位是“CPU 的个数”。比如，cpu=1 指的就是，这个 Pod 的 CPU 限额是 1 个 CPU。当然，具体“1 个 CPU”在宿主机上如何解释，是 1 个 CPU 核心，还是 1 个 vCPU，还是 1 个 CPU 的超线程（Hyperthread），完全取决于宿主机的 CPU 实现方式。Kubernetes 只负责保证 Pod 能够使用到“1 个 CPU”的计算能力。

环境	cpu=1 的等效资源	性能特点
物理机（无超线程）	1 物理核心	稳定，独占物理资源
物理机（有超线程）	1 超线程（逻辑 CPU）	可能受同核心其他超线程负载影响
云虚拟机（通用实例）	1 vCPU（通常为超线程或部分物理核心）	共享物理资源，性能可能波动
容器运行时（cgroups）	100ms/100ms 的 CPU 时间片	算力隔离，但依赖宿主机的 CPU 调度机制

​ 此外，Kubernetes 允许你将 CPU 限额设置为分数，比如在我们的例子里，CPU limits 的值就是 500m。所谓 500m，指的就是 500 millicpu，也就是 0.5 个 CPU 的意思。这样，这个 Pod 就会被分配到 1 个 CPU 一半的计算能力。

​ 你也可以直接把这个配置写成 cpu=0.5。但在实际使用时，我还是推荐你使用 500m 的写法，毕竟这才是 Kubernetes 内部通用的 CPU 表示方式。

Pod 里的 requests 和 limits

​ Kubernetes 里 Pod 的 CPU 和内存资源，实际上还要分为 limits 和 requests 两种情况

spec.containers[].resources.limits.cpu
spec.containers[].resources.limits.memory
spec.containers[].resources.requests.cpu
spec.containers[].resources.requests.memory

​ Kubernetes 的 requests+limits 的做法，其实就是上述思路的一个简化版：用户在提交 Pod 时，可以声明一个相对较小的 requests 值供调度器使用，而 Kubernetes 真正设置给容器 Cgroups 的，则是相对较大的 limits

​ 当 Pod 里的每一个 Container 都同时设置了 requests 和 limits，并且 requests 和 limits 值相等的时候，这个 Pod 就属于 Guaranteed 类别

k8s 三种 QoS 等级： Guaranteed（可保证的）、Burstable（突发的）、BestEffort（尽力而为的）

如下所示：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: qos-demo
  namespace: qos-example
spec:
  containers:
  - name: qos-demo-ctr
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "700m"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "700m"

​ 需要注意的是，当 Pod 仅设置了 limits 没有设置 requests 的时候，Kubernetes 会自动为它设置与 limits 相同的 requests 值，所以，这也属于 Guaranteed 情况。

​ 而当 Pod 不满足 Guaranteed 的条件，但至少有一个 Container 设置了 requests。那么这个 Pod 就会被划分到 Burstable 类别

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: qos-demo-2
  namespace: qos-example
spec:
  containers:
  - name: qos-demo-2-ctr
    image: nginx
    resources:
      limits
        memory: "200Mi"
      requests:
        memory: "100Mi"

只要有一个 container 设置了 requests 就行

​ 而如果一个 Pod 既没有设置 requests，也没有设置 limits，那么它的 QoS 类别就是 BestEffort。比如下面这个例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: qos-demo-3
  namespace: qos-example
spec:
  containers:
  - name: qos-demo-3-ctr
    image: nginx

​ 那么，Kubernetes 为 Pod 设置这样三种 QoS 类别，具体有什么作用呢？

​ 实际上，QoS 划分的主要应用场景，是当宿主机资源紧张的时候，kubelet 对 Pod 进行 Eviction（即资源回收）时需要用到的。

Eviction 的默认阈值

​ 当 Kubernetes 所管理的宿主机上不可压缩资源短缺时，就有可能触发 Eviction。比如，可用内存（memory.available）、可用的宿主机磁盘空间（nodefs.available），以及容器运行时镜像存储空间（imagefs.available）

注意，是“不可压缩资源”的短缺。

​ Kubernetes 为你设置的 Eviction 的默认阈值如下所示

memory.available<100Mi
nodefs.available<10%
nodefs.inodesFree<5%
imagefs.available<15%

​ 上述各个触发条件在 kubelet 里都是可配置的。比如下面这个例子：

kubelet --eviction-hard=imagefs.available<10%,memory.available<500Mi,nodefs.available<5%,nodefs.inodesFree<5% --eviction-soft=imagefs.available<30%,nodefs.available<10% --eviction-soft-grace-period=imagefs.available=2m,nodefs.available=2m --eviction-max-pod-grace-period=600

​ Soft Eviction 允许你为 Eviction 过程设置一段“优雅时间”，比如上面例子里的 imagefs.available=2m，就意味着当 imagefs 不足的阈值达到 2 分钟之后，kubelet 才会开始 Eviction 的过程。而 Hard Eviction 模式下，Eviction 过程就会在阈值达到之后立刻开始

​ 当宿主机的 Eviction 阈值达到后，就会进入 MemoryPressure 或者 DiskPressure 状态，从而避免新的 Pod 被调度到这台宿主机上。

​ 而当 Eviction 发生的时候，kubelet 具体会挑选哪些 Pod 进行删除操作，就需要参考这些 Pod 的 QoS 类别了。

• 首当其冲的，自然是 BestEffort 类别的 Pod。
• 其次，是属于 Burstable 类别、并且发生“饥饿”的资源使用量已经超出了 requests 的 Pod。
• 最后，才是 Guaranteed 类别。并且，Kubernetes 会保证只有当 Guaranteed 类别的 Pod 的资源使用量超过了其 limits 的限制，或者宿主机本身正处于 Memory Pressure 状态时，Guaranteed 的 Pod 才可能被选中进行 Eviction 操作。

​ 当然，对于同 QoS 类别的 Pod 来说，Kubernetes 还会根据 Pod 的优先级来进行进一步地排序和选择。

​ 在理解了 Kubernetes 里的 QoS 类别的设计之后，我再来为你讲解一下Kubernetes 里一个非常有用的特性：cpuset 的设置。

cpuset 的设置

​ 我们知道，在使用容器的时候，你可以通过设置 cpuset 把容器绑定到某个 CPU 的核上，而不是像 cpushare 那样共享 CPU 的计算能力。

​ 事实上，cpuset 方式，是生产环境里部署在线应用类型的 Pod 时，非常常用的一种方式。

​ 这样的需求在 Kubernetes 里又该如何实现

​ 首先，你的 Pod 必须是 Guaranteed 的 QoS 类型；然后，你只需要将 Pod 的 CPU 资源的 requests 和 limits 设置为同一个相等的整数值即可。

requests 和 limits 值相等的时候

​ 比如下面这个例子：

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"

​ 这时候，该 Pod 就会被绑定在 2 个独占的 CPU 核上。当然，具体是哪两个 CPU 核，是由 kubelet 为你分配的。