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你好，我是张磊。今天我和你分享的主题是：深入解析Pod对象之使用进阶。
在上一篇文章中，我深入解析了Pod的API对象，讲解了Pod和Container的关系。
作为Kubernetes项目里最核心的编排对象，Pod携带的信息非常丰富。其中，资源定义（比如CPU、内存等），以及调度相关的字段，我会在后面专门讲解调度器时再进行深入的分析。在本篇，我们就先从一种特殊的Volume开始，来帮助你更加深入地理解Pod对象各个重要字段的含义。
这种特殊的Volume，叫作Projected Volume，你可以把它翻译为“投射数据卷”。
备注：Projected Volume是Kubernetes v1.11之后的新特性
这是什么意思呢？
在Kubernetes中，有几种特殊的Volume，它们存在的意义不是为了存放容器里的数据，也不是用来进行容器和宿主机之间的数据交换。这些特殊Volume的作用，是为容器提供预先定义好的数据。所以，从容器的角度来看，这些Volume里的信息就是仿佛是被Kubernetes“投射”（Project）进入容器当中的。这正是Projected Volume的含义。
到目前为止，Kubernetes支持的Projected Volume一共有四种：
在今天这篇文章中，我首先和你分享的是Secret。它的作用，是帮你把Pod想要访问的加密数据，存放到Etcd中。然后，你就可以通过在Pod的容器里挂载Volume的方式，访问到这些Secret里保存的信息了。
Secret最典型的使用场景，莫过于存放数据库的Credential信息，比如下面这个例子：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: test-projected-volume
spec:
containers:
- name: test-secret-volume
image: busybox
args:
- sleep
- "86400"
volumeMounts:
- name: mysql-cred
mountPath: "/projected-volume"
readOnly: true
volumes:
- name: mysql-cred
projected:
sources:
- secret:
name: user
- secret:
name: pass
在这个Pod中，我定义了一个简单的容器。它声明挂载的Volume，并不是常见的emptyDir或者hostPath类型，而是projected类型。而这个 Volume的数据来源（sources），则是名为user和pass的Secret对象，分别对应的是数据库的用户名和密码。
这里用到的数据库的用户名、密码，正是以Secret对象的方式交给Kubernetes保存的。完成这个操作的指令，如下所示：
$ cat ./username.txt
admin
$ cat ./password.txt
c1oudc0w!
$ kubectl create secret generic user --from-file=./username.txt
$ kubectl create secret generic pass --from-file=./password.txt
其中，username.txt和password.txt文件里，存放的就是用户名和密码；而user和pass，则是我为Secret对象指定的名字。而我想要查看这些Secret对象的话，只要执行一条kubectl get命令就可以了：
$ kubectl get secrets
NAME TYPE DATA AGE
user Opaque 1 51s
pass Opaque 1 51s
当然，除了使用kubectl create secret指令外，我也可以直接通过编写YAML文件的方式来创建这个Secret对象，比如：
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
name: mysecret
type: Opaque
data:
user: YWRtaW4=
pass: MWYyZDFlMmU2N2Rm
可以看到，通过编写YAML文件创建出来的Secret对象只有一个。但它的data字段，却以Key-Value的格式保存了两份Secret数据。其中，“user”就是第一份数据的Key，“pass”是第二份数据的Key。
需要注意的是，Secret对象要求这些数据必须是经过Base64转码的，以免出现明文密码的安全隐患。这个转码操作也很简单，比如：
$ echo -n 'admin' | base64
YWRtaW4=
$ echo -n '1f2d1e2e67df' | base64
MWYyZDFlMmU2N2Rm
这里需要注意的是，像这样创建的Secret对象，它里面的内容仅仅是经过了转码，而并没有被加密。在真正的生产环境中，你需要在Kubernetes中开启Secret的加密插件，增强数据的安全性。关于开启Secret加密插件的内容，我会在后续专门讲解Secret的时候，再做进一步说明。
接下来，我们尝试一下创建这个Pod：
$ kubectl create -f test-projected-volume.yaml
当Pod变成Running状态之后，我们再验证一下这些Secret对象是不是已经在容器里了：
$ kubectl exec -it test-projected-volume -- /bin/sh
$ ls /projected-volume/
user
pass
$ cat /projected-volume/user
root
$ cat /projected-volume/pass
1f2d1e2e67df
从返回结果中，我们可以看到，保存在Etcd里的用户名和密码信息，已经以文件的形式出现在了容器的Volume目录里。而这个文件的名字，就是kubectl create secret指定的Key，或者说是Secret对象的data字段指定的Key。
更重要的是，像这样通过挂载方式进入到容器里的Secret，一旦其对应的Etcd里的数据被更新，这些Volume里的文件内容，同样也会被更新。其实，这是kubelet组件在定时维护这些Volume。
需要注意的是，这个更新可能会有一定的延时。所以在编写应用程序时，在发起数据库连接的代码处写好重试和超时的逻辑，绝对是个好习惯。
与Secret类似的是ConfigMap，它与Secret的区别在于，ConfigMap保存的是不需要加密的、应用所需的配置信息。而ConfigMap的用法几乎与Secret完全相同：你可以使用kubectl create configmap从文件或者目录创建ConfigMap，也可以直接编写ConfigMap对象的YAML文件。
比如，一个Java应用所需的配置文件（.properties文件），就可以通过下面这样的方式保存在ConfigMap里：
# .properties文件的内容
$ cat example/ui.properties
color.good=purple
color.bad=yellow
allow.textmode=true
how.nice.to.look=fairlyNice
# 从.properties文件创建ConfigMap
$ kubectl create configmap ui-config --from-file=example/ui.properties
# 查看这个ConfigMap里保存的信息(data)
$ kubectl get configmaps ui-config -o yaml
apiVersion: v1
data:
ui.properties: |
color.good=purple
color.bad=yellow
allow.textmode=true
how.nice.to.look=fairlyNice
kind: ConfigMap
metadata:
name: ui-config
...
备注：kubectl get -o yaml这样的参数，会将指定的Pod API对象以YAML的方式展示出来。
接下来是Downward API，它的作用是：让Pod里的容器能够直接获取到这个Pod API对象本身的信息。
举个例子：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: test-downwardapi-volume
labels:
zone: us-est-coast
cluster: test-cluster1
rack: rack-22
spec:
containers:
- name: client-container
image: k8s.gcr.io/busybox
command: ["sh", "-c"]
args:
- while true; do
if [[ -e /etc/podinfo/labels ]]; then
echo -en '\n\n'; cat /etc/podinfo/labels; fi;
sleep 5;
done;
volumeMounts:
- name: podinfo
mountPath: /etc/podinfo
readOnly: false
volumes:
- name: podinfo
projected:
sources:
- downwardAPI:
items:
- path: "labels"
fieldRef:
fieldPath: metadata.labels
在这个Pod的YAML文件中，我定义了一个简单的容器，声明了一个projected类型的Volume。只不过这次Volume的数据来源，变成了Downward API。而这个Downward API Volume，则声明了要暴露Pod的metadata.labels信息给容器。
通过这样的声明方式，当前Pod的Labels字段的值，就会被Kubernetes自动挂载成为容器里的/etc/podinfo/labels文件。
而这个容器的启动命令，则是不断打印出/etc/podinfo/labels里的内容。所以，当我创建了这个Pod之后，就可以通过kubectl logs指令，查看到这些Labels字段被打印出来，如下所示：
$ kubectl create -f dapi-volume.yaml
$ kubectl logs test-downwardapi-volume
cluster="test-cluster1"
rack="rack-22"
zone="us-est-coast"
目前，Downward API支持的字段已经非常丰富了，比如：
1. 使用fieldRef可以声明使用:
spec.nodeName - 宿主机名字
status.hostIP - 宿主机IP
metadata.name - Pod的名字
metadata.namespace - Pod的Namespace
status.podIP - Pod的IP
spec.serviceAccountName - Pod的Service Account的名字
metadata.uid - Pod的UID
metadata.labels['<KEY>'] - 指定<KEY>的Label值
metadata.annotations['<KEY>'] - 指定<KEY>的Annotation值
metadata.labels - Pod的所有Label
metadata.annotations - Pod的所有Annotation
2. 使用resourceFieldRef可以声明使用:
容器的CPU limit
容器的CPU request
容器的memory limit
容器的memory request
上面这个列表的内容，随着Kubernetes项目的发展肯定还会不断增加。所以这里列出来的信息仅供参考，你在使用Downward API时，还是要记得去查阅一下官方文档。
不过，需要注意的是，Downward API能够获取到的信息，一定是Pod里的容器进程启动之前就能够确定下来的信息。而如果你想要获取Pod容器运行后才会出现的信息，比如，容器进程的PID，那就肯定不能使用Downward API了，而应该考虑在Pod里定义一个sidecar容器。
其实，Secret、ConfigMap，以及Downward API这三种Projected Volume定义的信息，大多还可以通过环境变量的方式出现在容器里。但是，通过环境变量获取这些信息的方式，不具备自动更新的能力。所以，一般情况下，我都建议你使用Volume文件的方式获取这些信息。
在明白了Secret之后，我再为你讲解Pod中一个与它密切相关的概念：Service Account。
相信你一定有过这样的想法：我现在有了一个Pod，我能不能在这个Pod里安装一个Kubernetes的Client，这样就可以从容器里直接访问并且操作这个Kubernetes的API了呢？
这当然是可以的。
不过，你首先要解决API Server的授权问题。
Service Account对象的作用，就是Kubernetes系统内置的一种“服务账户”，它是Kubernetes进行权限分配的对象。比如，Service Account A，可以只被允许对Kubernetes API进行GET操作，而Service Account B，则可以有Kubernetes API的所有操作权限。
像这样的Service Account的授权信息和文件，实际上保存在它所绑定的一个特殊的Secret对象里的。这个特殊的Secret对象，就叫作ServiceAccountToken。任何运行在Kubernetes集群上的应用，都必须使用这个ServiceAccountToken里保存的授权信息，也就是Token，才可以合法地访问API Server。
所以说，Kubernetes项目的Projected Volume其实只有三种，因为第四种ServiceAccountToken，只是一种特殊的Secret而已。
另外，为了方便使用，Kubernetes已经为你提供了一个默认“服务账户”（default Service Account）。并且，任何一个运行在Kubernetes里的Pod，都可以直接使用这个默认的Service Account，而无需显示地声明挂载它。
这是如何做到的呢？
当然还是靠Projected Volume机制。
如果你查看一下任意一个运行在Kubernetes集群里的Pod，就会发现，每一个Pod，都已经自动声明一个类型是Secret、名为default-token-xxxx的Volume，然后 自动挂载在每个容器的一个固定目录上。比如：
$ kubectl describe pod nginx-deployment-5c678cfb6d-lg9lw
Containers:
...
Mounts:
/var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount from default-token-s8rbq (ro)
Volumes:
default-token-s8rbq:
Type: Secret (a volume populated by a Secret)
SecretName: default-token-s8rbq
Optional: false
这个Secret类型的Volume，正是默认Service Account对应的ServiceAccountToken。所以说，Kubernetes其实在每个Pod创建的时候，自动在它的spec.volumes部分添加上了默认ServiceAccountToken的定义，然后自动给每个容器加上了对应的volumeMounts字段。这个过程对于用户来说是完全透明的。
这样，一旦Pod创建完成，容器里的应用就可以直接从这个默认ServiceAccountToken的挂载目录里访问到授权信息和文件。这个容器内的路径在Kubernetes里是固定的，即：/var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount ，而这个Secret类型的Volume里面的内容如下所示：
$ ls /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount
ca.crt namespace token
所以，你的应用程序只要直接加载这些授权文件，就可以访问并操作Kubernetes API了。而且，如果你使用的是Kubernetes官方的Client包（k8s.io/client-go）的话，它还可以自动加载这个目录下的文件，你不需要做任何配置或者编码操作。
这种把Kubernetes客户端以容器的方式运行在集群里，然后使用default Service Account自动授权的方式，被称作“InClusterConfig”，也是我最推荐的进行Kubernetes API编程的授权方式。
当然，考虑到自动挂载默认ServiceAccountToken的潜在风险，Kubernetes允许你设置默认不为Pod里的容器自动挂载这个Volume。
除了这个默认的Service Account外，我们很多时候还需要创建一些我们自己定义的Service Account，来对应不同的权限设置。这样，我们的Pod里的容器就可以通过挂载这些Service Account对应的ServiceAccountToken，来使用这些自定义的授权信息。在后面讲解为Kubernetes开发插件的时候，我们将会实践到这个操作。
接下来，我们再来看Pod的另一个重要的配置：容器健康检查和恢复机制。
在Kubernetes中，你可以为Pod里的容器定义一个健康检查“探针”（Probe）。这样，kubelet就会根据这个Probe的返回值决定这个容器的状态，而不是直接以容器镜像是否运行（来自Docker返回的信息）作为依据。这种机制，是生产环境中保证应用健康存活的重要手段。
我们一起来看一个Kubernetes文档中的例子。
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
test: liveness
name: test-liveness-exec
spec:
containers:
- name: liveness
image: busybox
args:
- /bin/sh
- -c
- touch /tmp/healthy; sleep 30; rm -rf /tmp/healthy; sleep 600
livenessProbe:
exec:
command:
- cat
- /tmp/healthy
initialDelaySeconds: 5
periodSeconds: 5
在这个Pod中，我们定义了一个有趣的容器。它在启动之后做的第一件事，就是在/tmp目录下创建了一个healthy文件，以此作为自己已经正常运行的标志。而30 s过后，它会把这个文件删除掉。
与此同时，我们定义了一个这样的livenessProbe（健康检查）。它的类型是exec，这意味着，它会在容器启动后，在容器里面执行一条我们指定的命令，比如：“cat /tmp/healthy”。这时，如果这个文件存在，这条命令的返回值就是0，Pod就会认为这个容器不仅已经启动，而且是健康的。这个健康检查，在容器启动5 s后开始执行（initialDelaySeconds: 5），每5 s执行一次（periodSeconds: 5）。
现在，让我们来具体实践一下这个过程。
首先，创建这个Pod：
$ kubectl create -f test-liveness-exec.yaml
然后，查看这个Pod的状态：
$ kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
test-liveness-exec 1/1 Running 0 10s
可以看到，由于已经通过了健康检查，这个Pod就进入了Running状态。
而30 s之后，我们再查看一下Pod的Events：
$ kubectl describe pod test-liveness-exec
你会发现，这个Pod在Events报告了一个异常：
FirstSeen LastSeen Count From SubobjectPath Type Reason Message
--------- -------- ----- ---- ------------- -------- ------ -------
2s 2s 1 {kubelet worker0} spec.containers{liveness} Warning Unhealthy Liveness probe failed: cat: can't open '/tmp/healthy': No such file or directory
显然，这个健康检查探查到/tmp/healthy已经不存在了，所以它报告容器是不健康的。那么接下来会发生什么呢？
我们不妨再次查看一下这个Pod的状态：
$ kubectl get pod test-liveness-exec
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
liveness-exec 1/1 Running 1 1m
这时我们发现，Pod并没有进入Failed状态，而是保持了Running状态。这是为什么呢？
其实，如果你注意到RESTARTS字段从0到1的变化，就明白原因了：这个异常的容器已经被Kubernetes重启了。在这个过程中，Pod保持Running状态不变。
需要注意的是：Kubernetes中并没有Docker的Stop语义。所以虽然是Restart（重启），但实际却是重新创建了容器。
这个功能就是Kubernetes里的Pod恢复机制，也叫restartPolicy。它是Pod的Spec部分的一个标准字段（pod.spec.restartPolicy），默认值是Always，即：任何时候这个容器发生了异常，它一定会被重新创建。
但一定要强调的是，Pod的恢复过程，永远都是发生在当前节点上，而不会跑到别的节点上去。事实上，一旦一个Pod与一个节点（Node）绑定，除非这个绑定发生了变化（pod.spec.node字段被修改），否则它永远都不会离开这个节点。这也就意味着，如果这个宿主机宕机了，这个Pod也不会主动迁移到其他节点上去。
而如果你想让Pod出现在其他的可用节点上，就必须使用Deployment这样的“控制器”来管理Pod，哪怕你只需要一个Pod副本。这就是我在第12篇文章《牛刀小试：我的第一个容器化应用》最后给你留的思考题的答案，即一个单Pod的Deployment与一个Pod最主要的区别。
而作为用户，你还可以通过设置restartPolicy，改变Pod的恢复策略。除了Always，它还有OnFailure和Never两种情况：
- Always：在任何情况下，只要容器不在运行状态，就自动重启容器；
- OnFailure: 只在容器 异常时才自动重启容器；
- Never: 从来不重启容器。
在实际使用时，我们需要根据应用运行的特性，合理设置这三种恢复策略。
比如，一个Pod，它只计算1+1=2，计算完成输出结果后退出，变成Succeeded状态。这时，你如果再用restartPolicy=Always强制重启这个Pod的容器，就没有任何意义了。
而如果你要关心这个容器退出后的上下文环境，比如容器退出后的日志、文件和目录，就需要将restartPolicy设置为Never。因为一旦容器被自动重新创建，这些内容就有可能丢失掉了（被垃圾回收了）。
值得一提的是，Kubernetes的官方文档，把restartPolicy和Pod里容器的状态，以及Pod状态的对应关系，总结了非常复杂的一大堆情况。实际上，你根本不需要死记硬背这些对应关系，只要记住如下两个基本的设计原理即可：
$ kubectl get pod test-liveness-exec
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
liveness-exec 0/1 Running 1 1m
所以，假如一个Pod里只有一个容器，然后这个容器异常退出了。那么，只有当restartPolicy=Never时，这个Pod才会进入Failed状态。而其他情况下，由于Kubernetes都可以重启这个容器，所以Pod的状态保持Running不变。
而如果这个Pod有多个容器，仅有一个容器异常退出，它就始终保持Running状态，哪怕即使restartPolicy=Never。只有当所有容器也异常退出之后，这个Pod才会进入Failed状态。
其他情况，都可以以此类推出来。
现在，我们一起回到前面提到的livenessProbe上来。
除了在容器中执行命令外，livenessProbe也可以定义为发起HTTP或者TCP请求的方式，定义格式如下：
...
livenessProbe:
httpGet:
path: /healthz
port: 8080
httpHeaders:
- name: X-Custom-Header
value: Awesome
initialDelaySeconds: 3
periodSeconds: 3
...
livenessProbe:
tcpSocket:
port: 8080
initialDelaySeconds: 15
periodSeconds: 20
所以，你的Pod其实可以暴露一个健康检查URL（比如/healthz），或者直接让健康检查去检测应用的监听端口。这两种配置方法，在Web服务类的应用中非常常用。
在Kubernetes的Pod中，还有一个叫readinessProbe的字段。虽然它的用法与livenessProbe类似，但作用却大不一样。readinessProbe检查结果的成功与否，决定的这个Pod是不是能被通过Service的方式访问到，而并不影响Pod的生命周期。这部分内容，我会在讲解Service时重点介绍。
在讲解了这么多字段之后，想必你对Pod对象的语义和描述能力，已经有了一个初步的感觉。
这时，你有没有产生这样一个想法：Pod的字段这么多，我又不可能全记住，Kubernetes能不能自动给Pod填充某些字段呢？
这个需求实际上非常实用。比如，开发人员只需要提交一个基本的、非常简单的Pod YAML，Kubernetes就可以自动给对应的Pod对象加上其他必要的信息，比如labels，annotations，volumes等等。而这些信息，可以是运维人员事先定义好的。
这么一来，开发人员编写Pod YAML的门槛，就被大大降低了。
所以，这个叫作PodPreset（Pod预设置）的功能 已经出现在了v1.11版本的Kubernetes中。
举个例子，现在开发人员编写了如下一个 pod.yaml文件：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: website
labels:
app: website
role: frontend
spec:
containers:
- name: website
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
作为Kubernetes的初学者，你肯定眼前一亮：这不就是我最擅长编写的、最简单的Pod嘛。没错，这个YAML文件里的字段，想必你现在闭着眼睛也能写出来。
可是，如果运维人员看到了这个Pod，他一定会连连摇头：这种Pod在生产环境里根本不能用啊！
所以，这个时候，运维人员就可以定义一个PodPreset对象。在这个对象中，凡是他想在开发人员编写的Pod里追加的字段，都可以预先定义好。比如这个preset.yaml：
apiVersion: settings.k8s.io/v1alpha1
kind: PodPreset
metadata:
name: allow-database
spec:
selector:
matchLabels:
role: frontend
env:
- name: DB_PORT
value: "6379"
volumeMounts:
- mountPath: /cache
name: cache-volume
volumes:
- name: cache-volume
emptyDir: {}
在这个PodPreset的定义中，首先是一个selector。这就意味着后面这些追加的定义，只会作用于selector所定义的、带有“role: frontend”标签的Pod对象，这就可以防止“误伤”。
然后，我们定义了一组Pod的Spec里的标准字段，以及对应的值。比如，env里定义了DB_PORT这个环境变量，volumeMounts定义了容器Volume的挂载目录，volumes定义了一个emptyDir的Volume。
接下来，我们假定运维人员先创建了这个PodPreset，然后开发人员才创建Pod：
$ kubectl create -f preset.yaml
$ kubectl create -f pod.yaml
这时，Pod运行起来之后，我们查看一下这个Pod的API对象：
$ kubectl get pod website -o yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: website
labels:
app: website
role: frontend
annotations:
podpreset.admission.kubernetes.io/podpreset-allow-database: "resource version"
spec:
containers:
- name: website
image: nginx
volumeMounts:
- mountPath: /cache
name: cache-volume
ports:
- containerPort: 80
env:
- name: DB_PORT
value: "6379"
volumes:
- name: cache-volume
emptyDir: {}
这个时候，我们就可以清楚地看到，这个Pod里多了新添加的labels、env、volumes和volumeMount的定义，它们的配置跟PodPreset的内容一样。此外，这个Pod还被自动加上了一个annotation表示这个Pod对象被PodPreset改动过。
需要说明的是，PodPreset里定义的内容，只会在Pod API对象被创建之前追加在这个对象本身上，而不会影响任何Pod的控制器的定义。
比如，我们现在提交的是一个nginx-deployment，那么这个Deployment对象本身是永远不会被PodPreset改变的，被修改的只是这个Deployment创建出来的所有Pod。这一点请务必区分清楚。
这里有一个问题：如果你定义了同时作用于一个Pod对象的多个PodPreset，会发生什么呢？
实际上，Kubernetes项目会帮你合并（Merge）这两个PodPreset要做的修改。而如果它们要做的修改有冲突的话，这些冲突字段就不会被修改。
总结
在今天这篇文章中，我和你详细介绍了Pod对象更高阶的使用方法，希望通过对这些实例的讲解，你可以更深入地理解Pod API对象的各个字段。
而在学习这些字段的同时，你还应该认真体会一下Kubernetes“一切皆对象”的设计思想：比如应用是Pod对象，应用的配置是ConfigMap对象，应用要访问的密码则是Secret对象。
所以，也就自然而然地有了PodPreset这样专门用来对Pod进行批量化、自动化修改的工具对象。在后面的内容中，我会为你讲解更多的这种对象，还会和你介绍Kubernetes项目如何围绕着这些对象进行容器编排。
在本专栏中，Pod对象相关的知识点非常重要，它是接下来Kubernetes能够描述和编排各种复杂应用的基石所在，希望你能够继续多实践、多体会。
思考题
在没有Kubernetes的时候，你是通过什么方法进行应用的健康检查的？Kubernetes的livenessProbe和readinessProbe提供的几种探测机制，是否能满足你的需求？
感谢你的收听，欢迎你给我留言，也欢迎分享给更多的朋友一起阅读。