Kubernetes（簡稱K8S）是一個開源的容器編排平臺，用于自動化容器化應用的部署、擴展和管理。在Kubernetes中，Pod是最小的部署單元。理解Pod的概念對于掌握Kubernetes至關重要。本篇文章將詳細解釋什么是Kubernetes Pod，并通過實際例子幫助讀者更好地理解這一概念。

一、什么是 Kubernetes Pod？

在了解 Kubernetes Pod 概念之前，先來了解容器容器，眾所周知，是一個自包含的環境，用于打包應用程序及其依賴項。通常，一個容器運行單個進程（盡管也有方法可以運行多個進程）。每個容器都有一個IP地址，并且可以附加存儲卷以及控制CPU和內存資源等。這些都是通過命名空間和控制組（namespaces and control groups）的概念實現的。

Kubernetes 是一個用于部署、擴展和管理容器化應用程序的容器編排系統，它有自己運行容器的方式，我們稱之為 Pod。Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署單元，代表一個應用程序的單個實例。

例如，如果你想運行 Nginx 應用程序，你可以將它運行在一個 Pod 中。

1.那么，Pod 與容器有何不同呢？

容器是一個單獨的單位。然而，Pod 可以包含多個容器。你可以將 Pod 想象成一個可以同時容納一個或多個容器的盒子。

Pod 提供了更高層次的抽象，允許你將多個容器作為一個單元進行管理。在這里，每個容器不再單獨獲得 IP 地址，而是 Pod 獲得一個唯一的 IP 地址，并且運行在 Pod 內的容器通過 localhost 在不同端口上相互連接。

這意味著 Kubernetes Pod 內的容器共享以下內容：

• 網絡命名空間：Pod 內的所有容器通過 localhost 進行通信。
• IPC 命名空間：所有容器使用共享的進程間通信命名空間。
• UTS 命名空間：所有容器共享相同的主機名。

2.Pod 內的容器不共享什么？

• 默認情況下，PID 命名空間不共享，但 Kubernetes 提供選項，通過 shareProcessNamespace 選項在 Pod 內啟用進程共享。
• 掛載命名空間不在容器之間共享。每個容器都有自己的私有文件系統和目錄。然而，Pod 掛載的存儲卷在容器之間共享。

總的來說，你需要了解以下關于 Pod 的信息：

• Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署單元。
• Pod 具有短暫性；它們可以被創建、刪除和更新。
• 一個 Pod 可以有多個容器；沒有限制一個 Pod 中可以運行多少個容器。
• 每個 Pod 都有一個唯一的 IP 地址。
• Pod 之間通過 IP 地址進行通信。
• Pod 內的容器使用 localhost 通過不同的端口進行連接。
• 在 Pod 內運行的容器應該有不同的端口號，以避免端口沖突。
• 你可以為 Pod 內運行的每個容器設置 CPU 和內存資源。
• Pod 內的容器共享相同的存儲卷掛載。
• Pod 內的所有容器都調度到同一個節點上；它不能跨多個節點。
• 如果有多個容器，在 Pod 啟動期間，所有主要容器并行啟動。而 Pod 內的 init 容器按順序運行。

二、Pod YAML

現在我們已經對 Pod 有了基本的了解，接下來看看如何定義 Pod。Pod 是原生的 Kubernetes 對象，如果你想創建一個 Pod，需要以 YAML 格式聲明 Pod 的需求。你也可以使用 kubectl 命令創建 Pod，這將在后面的主題中介紹。

以下是一個創建 Nginx Web 服務器 Pod 的 Pod YAML 示例。這個 YAML 文件只是一個 Pod 的聲明性期望狀態。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-server-pod
  labels:
    app: web-server
    environment: production
  annotations:
    description: This pod runs the web server
spec:
  containers:
  - name: web-server
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80

讓我們來了解這個 Pod YAML。一旦你理解了基本的 YAML 格式，就會更容易操作 Pod 和相關對象，如 Deployment、DaemonSet、StatefulSet 等。

每個 Kubernetes 對象都有一些通用的參數。這些參數的值會根據我們創建的對象類型而變化。讓我們看看 Kubernetes Pod 對象。

我們現在已經看到了一個基本的Pod YAML清單。需要注意的是，這個清單文件支持許多參數。我們將逐步探索這些額外的參數與實踐的方法。

現在我們對Pod有了一些基本的了解，讓我們創建一個Pod。

三、創建Pod

你可以用兩種方法創建pod：

• 使用kubectl命令式命令：主要用于學習和測試目的。命令式命令有其自身的局限性。
• 聲明式方法：使用YAML方式。在開發項目時，YAML清單文件用于部署pods。

讓我們看看這兩個方式。我們將使用以下內容創建一個NGINX pod：

• pod的名稱是web-server-pod
• 它應該有標簽:app: web-server和environment: production
• 添加一個注釋來描述pod。
• 使用nginx:1.14.2容器鏡像。
• 暴露集裝箱端口80。

方法1:使用Kubectl命令創建Pod

對于討論的pod需求，這里是kubectl命令。

kubectl run web-server-pod \
  --image=nginx:1.14.2 \
  --restart=Never \
  --port=80 \
  --labels=app=web-server,environment=production \
  --annotations description="This pod runs the web server"

在這里，pod被部署在默認命名空間中。你可以獲得部署的pod kubectl的狀態。

kubectl get pods

部署pod后，您將看到pod的運行狀態，如下所示。在我們的例子中，pod中只有一個容器。所以它顯示1/1就緒并運行。

如果你想知道運行pod的所有細節，可以使用kubectl describe pod。

kubectl describe pod web-server-pod

在下面的輸出中，你可以看到pod的所有細節。它的IP地址、命名空間、容器細節、QoS類等。

這里是描述命令顯示的所有重要pod信息的圖形視圖。

現在讓我們使用以下命令刪除pod。

kubectl delete pod web-server-pod

方法2：使用聲明式YAML創建Pod

在實際項目中，你將不得不通過聲明的方法來創建pods。

讓我們看看如何使用YAML清單文件創建pod。

創建名為nginx的文件。內容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-server-pod
  labels:
    app: web-server
    environment: production
  annotations:
    description: This pod runs the web server
spec:
  containers:
  - name: web-server
    image: nginx:1.14.2
    ports:
    - containerPort: 80

現在，要部署清單文件，您需要使用文件名執行以下kubectl命令：

kubectl create -f nginx.yaml

我們應該記住創建YAML時的每個參數嗎?不用。你可以使用--dry-run標志創建YAML文件：

kubectl run nginx-pod --image=nginx:1.14.2 --dry-run=client -o yaml

四、訪問在 Pod 中運行的應用程序

現在我們有了一個運行中的pod和Nginx web服務器。整個想法是部署和訪問在pod中運行的應用程序。

Kubectl提供了一個port-forward命令來從本地工作站訪問Kubernetes集群中運行的pods。

我們有一個名為web-server-pod的運行pod。讓我們通過port-forward命令訪問它。

現在，如果您打開瀏覽器并訪問http://localhost:8080，您應該會看到如下所示的Nginx主頁。網頁由我們的Nginx web服務器pod提供服務。

現在你可以按CTRL+C斷開端口轉發。

以下是運行kubectl port-forward時發生的情況：

• Kubectl綁定本地系統中的指定端口。在我們的例子中是8080。
• 然后，它與Kubernetes集群API通信，以建立到所需節點的隧道(單個HTTP連接)，然后到指定的pod和容器端口(80)。

注意:kubectl端口轉發更多的是一個調試實用程序。你需要使用Kubernetes服務對象來公開在pod中運行的應用程序。我們將在另一個博客中實際地研究Kubernetes service 的概念。

五、訪問 Pod Shell

我們已經學習了如何訪問在pod中運行的應用程序。

現在如果你想進入Pod shell怎么辦?

有許多用例需要終端訪問pod。一個主要用例是調試和故障排除。

這就是kubectl exec命令派上用場的地方。

您可以使用以下命令訪問web-server-pod的shell。

kubectl exec -it web-server-pod -- /bin/sh

在下面的輸出中，我正在pod內執行whoami命令。

六、Pod 的生命周期

關于pod你應該知道的另一個重要概念是它的生命周期。pod通常由ReplicaSet controller、Deployment controller等控制器管理。當您使用YAML創建單個pod時，它不受任何控制器的管理。在這兩種情況下，pod都會經歷不同的生命周期階段。Pod的生命周期包括以下幾個階段：

• Pending：Pod已被Kubernetes API Server接受，但還沒有被調度到Node上。
• Running：Pod已被調度到Node上，所有容器都已啟動。
• Succeeded：Pod中的所有容器都正常終止，且不會再被重啟。
• Failed：Pod中的某個容器意外終止，且不會再被重啟。
• Unknown：由于某種原因，無法獲取Pod的狀態。

如果你通過kubectl describe pod命令查看Pod的詳細信息，你可以看到Pod的狀態。這里有一個例子。

七、Pod 功能

我們已經部署了一個簡單的Nginx pod，配置非常少。但是，pod具有許多用于資源管理、配置、機密、可用性、安全性等方面的特性。

如果你是初學者，一次性學習所有這些概念將是多余的。在使用與pod相關的對象(如具有實際用例的Deployment)時，學習所有這些概念更有意義。

此外，您需要通過實際用例詳細了解每個特性。

以下是與pod相關的主要特性：

• Resource Requests and Limits: Pod CPU/內存分配
• Labels: 附加在pod上的鍵值對，用于對資源進行分類。
• Selectors: 根據標簽對資源進行分組。
• Liveness, Readiness和Startup Probes: 容器運行狀況檢查
• ConfigMaps: 用于配置管理
• Secrets: 用于秘密管理
• Volumes: 持久數據存儲
• Init Containers: 在主容器之前運行的容器。
• Ephemeral Containers: 添加到pod中的臨時容器，用于調試或故障排除。
• Service Account: :用于限制對Kubernetes對象和資源的訪問。
• SecurityContext：主機權限和特權。
• Affinity and Anti-Affinity Rules: 跨節點的Pod放置控制。
• Pod Preemption & Priority: 設置Pod調度和驅逐的優先級。
• Pod Disruption Budget: 在自愿中斷期間需要運行的Pod副本的最小數量。
• Container Life Cycle Hooks:根據pod的生命周期階段變化執行自定義腳本。

全面的 Pod YAML 配置

如果您添加我上面列出的pod特性，您將得到一個全面的pod YAML配置，如下所示。此外，這些選項將與Deployment、Statefulset等對象一起使用。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-server-pod
spec:
  initContainers:
  - name: init-myservice
    image: busybox:1.28
    command: ['sh', '-c', 'echo "Init container started!"']
  containers:
  - name: web-server
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:
    - name: shared-data
      mountPath: /usr/share/nginx/html
    - name: secret-volume
      mountPath: /etc/my-secret
    - name: configmap-volume
      mountPath: /etc/config
    securityContext:
      capabilities:
        add: ["NET_ADMIN", "SYS_TIME"]
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"
    readinessProbe:
      httpGet:
        path: /index.html
        port: 80
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 5
    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /index.html
        port: 80
      initialDelaySeconds: 15
      periodSeconds: 20
    startupProbe:
      httpGet:
        path: /index.html
        port: 80
      failureThreshold: 30
      periodSeconds: 10
    lifecycle:
      postStart:
        exec:
          command: ["/bin/sh", "-c", "echo 'PostStart'"]
      preStop:
        exec:
          command: ["/bin/sh", "-c", "echo 'PreStop'"]
  serviceAccountName: nginx-service-account   
  securityContext:                        
    runAsUser: 1000
    runAsGroup: 3000
    fsGroup: 2000
  shareProcessNamespace: true
  volumes:
  - name: shared-data
    emptyDir: {}
  - name: secret-volume
    secret:
      secretName: nginx-secret
  - name: configmap-volume
    configMap:
      name: nginx-configmap

八、Pod 關聯對象

當談到在Kubernetes上運行應用程序時，我們不會運行單個pod。因為Kubernetes是關于擴展和維護pod可用性的。

所以如果你運行一個單獨的pod，它將是一個單點故障。因為Pod本身不能直接縮放。

正如我們在Kubernetes架構中討論的那樣，我們需要像Replicaset這樣的控制器來確保始終運行所需數量的pod。

針對不同的用例，Kubernetes有不同類型的對象與pod相關聯。

以下是與pod相關的重要對象：

• Replicaset: 維護一組穩定的pod副本在任何給定時間運行。
• Deployment: 運行無狀態應用程序，如web服務器、api等
• StatefulSets: 運行有狀態的應用程序，如分布式數據庫。
• Daemonsets: 在所有Kubernetes節點上運行代理。
• Jobs: 用于批處理
• CronJobs: 計劃的作業

總結

Kubernetes Pod是容器編排的基本單元，包含一個或多個共享網絡和存儲的容器。通過理解Pod的概念和生命周期，我們可以更有效地在Kubernetes中部署和管理應用。本文通過一個簡單的Nginx Pod示例展示了如何創建和訪問Pod，希望能幫助讀者更好地理解Kubernetes Pod的基本原理。