Kubernetes核心控制器详解：从ReplicaSet到CronJob的实战指南

Pod是Kubernetes集群中最小的可管理单元。根据创建方式，Pod可以分为两类：

• 自主式Pod：由用户直接创建，删除后不会重建。
• 控制器创建的Pod：通过Pod控制器创建，此类Pod在删除后能够根据预期状态自动重建。

Pod控制器扮演着Pod资源管理的中间层角色。用户只需向控制器声明期望的Pod数量和状态，控制器便会负责创建并持续维护这些Pod，确保其始终符合预期。当Pod在运行中出现故障时，控制器会根据预定义的策略自动重新调度或重建。Kubernetes提供了多种控制器，以适应不同的应用场景：

• ReplicationController：早期控制器，已被ReplicaSet取代。
• ReplicaSet (RS)：确保指定数量的Pod副本持续运行，支持扩缩容和镜像升级。
• Deployment：通过管理ReplicaSet间接管理Pod，支持声明式更新、滚动升级和版本回滚。
• Horizontal Pod Autoscaler (HPA)：根据监控指标自动水平调整Pod副本数，实现集群负载的动态平衡。
• DaemonSet：确保集群中每个（或指定）节点上都运行一个Pod副本，常用于日志收集、节点监控等守护进程。
• Job：用于执行一次性任务，任务完成后Pod即退出。
• CronJob：基于时间调度，用于执行周期性的任务。
• StatefulSet：用于管理有状态应用。

ReplicaSet (RS)

ReplicaSet的核心职责是确保指定数量的Pod副本持续处于运行状态。它会持续监听所管理Pod的健康状况，一旦发现Pod故障，便自动重启或重建。同时，它也支持Pod数量的手动扩缩容以及容器镜像版本的升级或回退。

ReplicaSet的资源清单（YAML）结构如下：

apiVersion: apps/v1 # 版本号
kind: ReplicaSet # 资源类型
metadata: # 元数据
  name: rs-name # RS名称
  namespace: dev # 所属命名空间
  labels: # 标签
    controller: rs
spec: # 规格详情
  replicas: 3 # 期望的Pod副本数量
  selector: # 标签选择器，用于筛选被管理的Pod
    matchLabels: # 标签匹配规则
      app: nginx-pod
    matchExpressions: # 表达式匹配规则
      - {key: app, operator: In, values: [nginx-pod]}
  template: # Pod模板，用于创建新的Pod副本
    metadata:
      labels:
        app: nginx-pod
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.17.1
        ports:
        - containerPort: 80

关键配置项说明：

• replicas：定义期望的Pod副本数。
• selector：标签选择器，通过匹配Pod模板中定义的标签(template.metadata.labels)，建立起控制器与Pod之间的管理关系。
• template：Pod模板，定义了当副本数不足时，新Pod的创建规格。

创建与操作ReplicaSet

1. 创建RS：编写资源文件pc-replicaset.yaml并应用。

   apiVersion: apps/v1
   kind: ReplicaSet
   metadata:
     name: pc-replicaset
     namespace: dev
   spec:
     replicas: 3
     selector:
       matchLabels:
         app: nginx-pod
     template:
       metadata:
         labels:
           app: nginx-pod
       spec:
         containers:
         - name: nginx
           image: nginx:1.17.1

   # 创建RS
   kubectl create -f pc-replicaset.yaml
   # 查看RS详情
   kubectl get rs pc-replicaset -n dev -o wide
   # 查看由RS创建的Pod
   kubectl get pod -n dev

   

2. 扩缩容：可以通过编辑YAML文件或使用kubectl scale命令动态调整副本数。

   # 方法一：编辑YAML，修改 `spec.replicas` 字段
   kubectl edit rs pc-replicaset -n dev
   # 方法二：使用scale命令
   kubectl scale rs pc-replicaset --replicas=2 -n dev
   # 查看Pod变化
   kubectl get pods -n dev

3. 镜像升级：更新Pod模板中的镜像版本。

   # 方法一：编辑YAML，修改 `spec.template.spec.containers.image` 字段
   kubectl edit rs pc-replicaset -n dev
   # 方法二：使用set image命令
   kubectl set image rs pc-replicaset nginx=nginx:1.17.1 -n dev
   # 查看更新后的RS
   kubectl get rs -n dev -o wide

4. 删除RS：默认删除操作会同时删除其管理的所有Pod。

   # 删除RS及其Pod（推荐）
   kubectl delete -f pc-replicaset.yaml
   # 或
   kubectl delete rs pc-replicaset -n dev
   # 仅删除RS对象，保留Pod（不推荐，Pod将变为自主式）
   kubectl delete rs pc-replicaset -n dev --cascade=false

Deployment (Deploy)

Deployment是比ReplicaSet更高级的抽象，它通过管理ReplicaSet来间接管理Pod（Deployment -> ReplicaSet -> Pod），提供了更强大的发布和回滚能力，是现代Kubernetes中进行无状态应用部署的首选控制器。

Deployment在ReplicaSet功能基础上，新增了以下核心能力：

• 支持发布过程的暂停(pause)与继续(resume)。
• 支持滚动更新(RollingUpdate)和版本回滚(rollback)。

Deployment资源清单文件：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deploy-name
  namespace: dev
  labels:
    controller: deploy
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 3 # 保留的历史ReplicaSet版本数量，用于回滚
  paused: false # 是否暂停部署
  progressDeadlineSeconds: 600 # 部署超时时间(秒)
  strategy: # 更新策略
    type: RollingUpdate # 滚动更新
    rollingUpdate:
      maxSurge: 30% # 升级过程中可以额外创建的Pod数量比例（相对于`replicas`）
      maxUnavailable: 30% # 升级过程中最大不可用Pod的比例
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-pod
  template: # Pod模板
    metadata:
      labels:
        app: nginx-pod
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.17.1
        ports:
        - containerPort: 80

创建与基础操作

1. 创建Deployment：

   apiVersion: apps/v1
   kind: Deployment
   metadata:
     name: pc-deployment
   spec:
     replicas: 3
     selector:
       matchLabels:
         app: nginx-pod
     template:
       metadata:
         labels:
           app: nginx-pod
       spec:
         containers:
         - name: nginx
           image: nginx:1.17.1

   # 创建Deployment，--record记录命令以便在历史中查看
   kubectl create -f pc-deployment.yaml --record=true
   # 查看Deployment
   kubectl get deploy pc-deployment -n dev
   # 查看其管理的ReplicaSet
   kubectl get rs -n dev
   # 查看最终创建的Pod
   kubectl get pods -n dev

   
   

2. 扩缩容：与ReplicaSet操作类似。

   # 使用scale命令
   kubectl scale deploy pc-deployment --replicas=5 -n dev
   # 或编辑YAML文件
   kubectl edit deploy pc-deployment -n dev

更新策略与版本控制

Deployment支持两种更新策略，在spec.strategy.type中定义：

• Recreate (重建更新)：先终止所有旧Pod，再创建新Pod。会导致服务短暂中断。

  strategy:
    type: Recreate

• RollingUpdate (滚动更新)：逐渐用新Pod替换旧Pod，保证服务不中断。这是默认策略，也是云原生应用部署的核心实践。

  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 25%
      maxUnavailable: 25%

执行更新与回滚：

# 1. 更新镜像（触发滚动更新）
kubectl set image deployment pc-deployment nginx=nginx:1.17.2 -n dev
# 观察更新过程
kubectl get pods -n dev -w

# 2. 查看更新状态和历史
kubectl rollout status deploy pc-deployment -n dev
kubectl rollout history deploy pc-deployment -n dev

# 3. 版本回滚
# 回滚到上一个版本
kubectl rollout undo deployment pc-deployment -n dev
# 回滚到指定历史版本（通过--to-revision指定）
kubectl rollout undo deployment pc-deployment --to-revision=1 -n dev

金丝雀发布 (Canary Release)

利用Deployment的暂停(pause)功能，可以实现金丝雀发布：先让一小部分流量接入新版本，验证通过后再全量更新。

# 1. 更新镜像并立即暂停部署
kubectl set image deploy pc-deployment nginx=nginx:1.17.4 -n dev && \
kubectl rollout pause deployment pc-deployment -n dev

# 2. 观察，此时会创建部分新版本Pod，旧版本Pod仍在运行
kubectl get pods -n dev

# 3. 验证新版本无误后，继续完成更新
kubectl rollout resume deploy pc-deployment -n dev

删除Deployment

kubectl delete -f pc-deployment.yaml

DaemonSet (DS)

DaemonSet确保集群中每个节点（或通过节点选择器指定的节点）上都运行一个Pod副本。它非常适合运行节点级别的守护进程，如日志收集代理（Fluentd）、监控采集器（Node Exporter）或网络插件。

其特点如下：

• 向集群添加新节点时，自动在该节点上创建Pod副本。
• 节点被移除时，其上的Pod会被自动垃圾回收。

资源清单示例：

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: pc-daemonset
spec:
  updateStrategy: # 更新策略
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-pod
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-pod
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.17.1

创建与查看：

# 创建DaemonSet
kubectl create -f pc-daemonset.yaml
# 查看DaemonSet，会显示在多少个节点上部署了Pod
kubectl get ds -n dev -o wide
# 查看Pod，每个节点一个
kubectl get pods -n dev -o wide

这种在每个节点部署一个实例的模式，是运维监控和日志采集的常见做法。

Job

Job用于执行一次性的批处理任务。它创建的一个或多个Pod会运行至任务成功完成（而非持续运行），完成后Pod状态变为Completed。

关键参数：

• completions：指定Job需要成功运行多少次。例如设为6，则Job会运行Pod直到有6次成功记录。
• parallelism：指定同时运行的Pod数量。
• restartPolicy：只能为Never或OnFailure，不能是Always。

Job资源清单示例：

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: pc-job
  namespace: dev
spec:
  completions: 6 # 总共需要成功6次
  parallelism: 3 # 同时运行3个Pod
  manualSelector: true
  selector:
    matchLabels:
      app: counter-pod
  template:
    metadata:
      labels:
        app: counter-pod
    spec:
      restartPolicy: Never # 任务失败后创建新Pod，而不是重启容器
      containers:
      - name: counter
        image: busybox:1.30
        command: ["bin/sh","-c","for i in 9 8 7 6 5 4 3 2 1; do echo $i;sleep 3;done"]

操作命令：

# 创建Job
kubectl create -f pc-job.yaml
# 查看Job执行状态
kubectl get job -n dev -w
# 查看Pod，完成后状态为Completed
kubectl get pods -n dev

CronJob (CJ)

CronJob基于时间调度来周期性地运行Job，类似于Linux系统的Crontab。它用于执行周期性的定时任务。

核心字段：

• schedule：Cron格式的时间调度表达式，例如"*/1 * * * *"表示每分钟执行一次。
• concurrencyPolicy：
  • Allow（默认）：允许并发执行。
  • Forbid：禁止并发，如果上次任务未完成则跳过本次。
  • Replace：取消当前正在运行的任务，用新任务替换。

资源清单示例：

apiVersion: batch/v1beta1
kind: CronJob
metadata:
  name: pc-cronjob
  namespace: dev
spec:
  schedule: "*/1 * * * *" # 每分钟执行一次
  jobTemplate: # Job模板
    spec:
      template:
        spec:
          restartPolicy: Never
          containers:
          - name: counter
            image: busybox:1.30
            command: ["bin/sh","-c","for i in 9 8 7 6 5 4 3 2 1; do echo $i;sleep 3;done"]

操作命令：

# 创建CronJob
kubectl create -f pc-cronjob.yaml
# 查看CronJob
kubectl get cronjobs -n dev
# CronJob会按计划创建Job，再通过Job创建Pod
kubectl get jobs -n dev
kubectl get pods -n dev

CronJob非常适合处理像数据库备份、定期报告生成、数据清理等批量任务处理场景。