关于kubernetes:kubescheduler架构设计和启动流程简介

之前都是花工夫在 k8s 的搭建，根底概念学习以及具体利用在 k8s 上的搭建，始终想对 k8s 源码进行浏览学习，这次借着云原生社区的 Kubernetes 源码研习社我的项目机会对 k8s 源码进行摄入的学习，也能鞭策本人坚持下去把源码读完。

本文次要对第一周 kube-scheduler 的架构设计和启动流程的学习进行了一个总结。

1、kube-scheduler 架构设计

kube-scheduler 组件是 kubernetes 默认的调度器，kube-scheduler 组件内置的预选和优选算法，次要负责把创立的 Pod 调度到具体的 Work 工作节点上，实现 Pod 到 Node 的调度和预绑定工作（具体的绑定实现在 kube-apiserver 组件上实现）。

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如 kube-scheduler 架构图上图所示，kube-scheduler 通过 informer 从 kube-apiserver 保护一个还未绑定到 Node 的待调度 Pod 队列，每个调度循环中，scheduler 会从 Pod queue 中获取一个 Pod，依据 scheduler 框架的 filter 阶段（预选阶段） 和Score 阶段（优选阶段)从待绑定的 Node 列表中选出最优 Node，最初通过 绑定阶段 把 Pod 绑定到最优的 Node 节点上。

• filter 阶段（预选阶段）：依据 Pod 须要的 CPU、内存、端口等资源状况，间接过滤掉不合乎 Pod 资源条件的 Node 节点
• Score 阶段（优选阶段）：依据 Pod 的节点亲和性、资源状况等进行归一化打分，选出分数最优的 Node 节点。
• 绑定阶段：该阶段次要把 Pod 预绑定到选出的 Node 上，并择机把绑定后果上传到 kube-apiserver，由 kube-apiserver 实现理论绑定操作。

2、kube-scheduler 启动流程

kube-scheduler 组件程序入口在 cmd/kube-scheduler/scheduler.go 文件的 main() 函数中，该函数次要实现了命令行解析和运行 scheduler 工作。
cmd/kube-scheduler/scheduler.go:33

func main() {
    ...
    // 1、创立 cobra.Command 对象，cobra 次要用来解析 scheduler 命令行参数 
    command := app.NewSchedulerCommand()

    // 2、初始化 log
    pflag.CommandLine.SetNormalizeFunc(cliflag.WordSepNormalizeFunc)
    logs.InitLogs()
    defer logs.FlushLogs()

    // 3、运行 command 对象的 Run 成员对应的函数，该函数 在 cmd/kube-scheduler/app/server.go:117
    if err := command.Execute(); err != nil {os.Exit(1)
    }
}

下面的 Execute() 办法理论执行的是 cmd/kube-scheduler/app/server.go:117 的 runCommand() 办法

func runCommand(cmd *cobra.Command, args []string, opts *options.Options, registryOptions ...Option) error {
    ......
    
    //1、装载生成一个 scheduler.Scheduler 对象
    cc, sched, err := Setup(ctx, args, opts, registryOptions...)
    if err != nil {return err}
    ......

    // 2、通过装载好的 Scheduler 对象，执行真正的 scheduler 流程
    return Run(ctx, cc, sched)
}

Run() 函数次要进行以下操作：

• 筹备事件 (Event) 播送器
• 启动 healthz、metrics、scheduler server，次要监听 10251 和 10259 端口，前者为非平安端口（可拜访 healthz/metics），后者为平安端口，须要进行认证
• 启动所有 informer，并通过 informer 同步所有信息到本地 cache 中
• 当领导者选举设置时，运行领导者选举办法
• 执行 sched.Run(ctx) 办法，该办法执行 scheduler 主逻辑

cmd/kube-scheduler/app/server.go:141

 func Run(ctx context.Context, cc *schedulerserverconfig.CompletedConfig, sched *scheduler.Scheduler) error {
    ......
    // 1、筹备 event broadcaster.
    if cc.Broadcaster != nil && cc.EventClient != nil {cc.Broadcaster.StartRecordingToSink(ctx.Done())
    }
    if cc.CoreBroadcaster != nil && cc.CoreEventClient != nil {cc.CoreBroadcaster.StartRecordingToSink(&corev1.EventSinkImpl{Interface: cc.CoreEventClient.Events("")})
    }
    // 2、筹备并启动 healthz 服务.
    var checks []healthz.HealthChecker
    if cc.ComponentConfig.LeaderElection.LeaderElect {checks = append(checks, cc.LeaderElection.WatchDog)
    }

    if cc.InsecureServing != nil {
        separateMetrics := cc.InsecureMetricsServing != nil
        handler := buildHandlerChain(newHealthzHandler(&cc.ComponentConfig, separateMetrics, checks...), nil, nil)
        if err := cc.InsecureServing.Serve(handler, 0, ctx.Done()); err != nil {return fmt.Errorf("failed to start healthz server: %v", err)
        }
    }
    // 3、启动 metrics 服务
    if cc.InsecureMetricsServing != nil {handler := buildHandlerChain(newMetricsHandler(&cc.ComponentConfig), nil, nil)
        if err := cc.InsecureMetricsServing.Serve(handler, 0, ctx.Done()); err != nil {return fmt.Errorf("failed to start metrics server: %v", err)
        }
    }
    // 4、启动 scheduler 平安服务
    if cc.SecureServing != nil {handler := buildHandlerChain(newHealthzHandler(&cc.ComponentConfig, false, checks...), cc.Authentication.Authenticator, cc.Authorization.Authorizer)
        // TODO: handle stoppedCh returned by c.SecureServing.Serve
        if _, err := cc.SecureServing.Serve(handler, 0, ctx.Done()); err != nil {
            // fail early for secure handlers, removing the old error loop from above
            return fmt.Errorf("failed to start secure server: %v", err)
        }
    }

    // 5、启动所有 informer.
    go cc.PodInformer.Informer().Run(ctx.Done())
    cc.InformerFactory.Start(ctx.Done())

    // 6、期待所有 informer 获取信息到本地 cache 中.
    cc.InformerFactory.WaitForCacheSync(ctx.Done())

    // 7、若领导者选举不为空，开始进行领导者选举.
    if cc.LeaderElection != nil {
        cc.LeaderElection.Callbacks = leaderelection.LeaderCallbacks{
            OnStartedLeading: sched.Run,
            OnStoppedLeading: func() {klog.Fatalf("leaderelection lost")
            },
        }
        leaderElector, err := leaderelection.NewLeaderElector(*cc.LeaderElection)
        if err != nil {return fmt.Errorf("couldn't create leader elector: %v", err)
        }

        leaderElector.Run(ctx)

        return fmt.Errorf("lost lease")
    }

    // 8、执行 scheduler 主逻辑
    sched.Run(ctx)
    return fmt.Errorf("finished without leader elect")
}

sched.Run() 次要执行以下步骤

• 期待 Cache 同步结束
• 启动管制 Pod 队列的 goroutines
• 通过 wait.UntilWithContext() 办法，定时调用 sched.scheduleOne() 办法，sched.scheduleOne() 办法实现一轮调度

pkg/scheduler/scheduler.go:360

func (sched *Scheduler) Run(ctx context.Context) {
    // 1、期待 cache 同步实现
    if !cache.WaitForCacheSync(ctx.Done(), sched.scheduledPodsHasSynced) {return}
    // 2、启动 Pod 队列 Goroutines
    sched.SchedulingQueue.Run()
    // 3、启动通过 sched.scheduleOne()办法定时调度的 goroutines
    wait.UntilWithContext(ctx, sched.scheduleOne, 0)
    sched.SchedulingQueue.Close()}

sched.scheduleOne()办法调用一次就为一个 Pod 实现一次调度轮次，该办法次要逻辑如下

• 从 Pod 队列汇总获取一个 Pod
• 同步执行 Filter 和 Score 阶段，为 Pod 选取适合的 Node
• 假如 Pod 运行在选取好的 Node 上，运行 Reserve 插件，从该节点上保留下所需的资源
• 执行 Permit 插件，该插件次要是用作 Bind 前期待，可能场景是同一组 Pod 须要同时绑定和调度到节点上
• 启动一个额定 goroutine，执行 prebind 插件和 postbind 插件实现 Pod 到 Node 的绑定操作

pkg/scheduler/scheduler.go:520

func (sched *Scheduler) scheduleOne(ctx context.Context) {
    // 1、从 pod queue 队列中获取一个 Pod
    podInfo := sched.NextPod()
    ......

    // 2、调用 sched.Algorithm.Schedule()执行 Filter 和 Score 阶段，尝试获取一个可行的 Node
    start := time.Now()
    state := framework.NewCycleState()
    state.SetRecordPluginMetrics(rand.Intn(100) < pluginMetricsSamplePercent)
    schedulingCycleCtx, cancel := context.WithCancel(ctx)
    defer cancel()
    scheduleResult, err := sched.Algorithm.Schedule(schedulingCycleCtx, prof, state, pod)
    ......

    // 3、运行 "reserve" plugins.
    if sts := prof.RunReservePlugins(schedulingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost); !sts.IsSuccess() {sched.recordSchedulingFailure(prof, assumedPodInfo, sts.AsError(), SchedulerError, sts.Message())
        metrics.PodScheduleErrors.Inc()
        return
    }

    // 4、假如 Pod 曾经调度到对应节点上
    err = sched.assume(assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
    ......

    // 5、运行 "permit" plugins.
    runPermitStatus := prof.RunPermitPlugins(schedulingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
    ......

    // bind the pod to its host asynchronously (we can do this b/c of the assumption step above).
    // 6、启动一个 goroutines，异步执行 prebind 和 postbind
    go func() {
        ......
        // 6.1 启动 "prebind" plugins.
        preBindStatus := prof.RunPreBindPlugins(bindingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
        ......
        
        // 6.2 执行 bind 操作
        err := sched.bind(bindingCycleCtx, prof, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost, state)
        metrics.E2eSchedulingLatency.Observe(metrics.SinceInSeconds(start))
        if err != nil {......} else {
            ......
            // 6.3 启动 "postbind" plugins.
            prof.RunPostBindPlugins(bindingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
        }
    }()}

为 Pod 选取 Node 的逻辑次要在 sched.Algorithm.Schedule() ，该办法次要执行以下操作

• 执行 prefilter 插件，过滤资源不适合节点
• 执行 preioritize 办法，为剩下的节点进行归一化打分
• 依据 priority 后果执行 selectHost 操作，抉择最优节点

pkg/scheduler/generic_scheduler.go:147

func (g *genericScheduler) Schedule(ctx context.Context, prof *profile.Profile, state *framework.CycleState, pod *v1.Pod) (result ScheduleResult, err error) {
    ......

    // 1、运行 "prefilter" plugins.
    startPredicateEvalTime := time.Now()
    filteredNodes, filteredNodesStatuses, err := g.findNodesThatFitPod(ctx, prof, state, pod)
    ......

    // 2、运行优选算法，map/reduce 每个 Node 的分数
    priorityList, err := g.prioritizeNodes(ctx, prof, state, pod, filteredNodes)
    if err != nil {return result, err}
    ......
    
    // 3、依据 priority 计算好的列表，抉择最合适的 Node
    host, err := g.selectHost(priorityList)
    trace.Step("Prioritizing done")
    ......
}

本文次要介绍了 kube-scheduler 的架构设计和启动简要流程，scheduler 组件的各个对象如何初始化、Pod 队列如何实现、cache 机制如何实现、framwork 预选 / 优选阶段算法、领导者选举算法如何具体实现尚未进行深入研究，这一些将在接下来的学习总结中进行出现。

3、参考文献

kube-scheduler 源码剖析

云原生学习笔记 /1. 调度器外围数据结构与算法剖析

《kubernetes 源码分析》- 电子工业出版社 - 作者：郑东旭

kubernetes 源码