StatefulSet 控制器流程
概述
StatefulSet 用于管理有状态应用，提供有序部署、稳定网络标识和持久化存储。与 Deployment 不同，StatefulSet 保证 Pod 的顺序性和唯一性。
核心架构
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ StatefulSetController │
│ pkg/controller/statefulset/stateful_set.go │
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ kubeClient │ │ setLister │ │ podLister │ │ queue │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ StatefulSetControlInterface │
│ pkg/controller/statefulset/stateful_set_control.go │
│ │
│ - sync() 协调 StatefulSet │
│ - updateStatefulSet() 更新状态 │
│ - adoptOrphanRevisions() 采纳孤儿 Revision │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ StatefulPodControl │
│ pkg/controller/statefulset/stateful_pod_control.go │
│ │
│ - createPod() 创建 Pod │
│ - deletePod() 删除 Pod │
│ - updatePod() 更新 Pod │
│ - createPersistentVolumeClaims() 创建 PVC │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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核心数据结构
StatefulSet API 类型
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type StatefulSetSpec struct {
Replicas *int32
Selector *metav1.LabelSelector
Template v1.PodTemplateSpec
VolumeClaimTemplates []v1.PersistentVolumeClaim
ServiceName string
PodManagementPolicy PodManagementPolicyType
UpdateStrategy StatefulSetUpdateStrategy
RevisionHistoryLimit *int32
MinReadySeconds int32
}
type StatefulSetUpdateStrategy struct {
Type StatefulSetUpdateStrategyType
RollingUpdate *RollingUpdateStatefulSetStrategy
}
type RollingUpdateStatefulSetStrategy struct {
Partition *int32
MaxUnavailable *intstr.IntOrString
}
|
Pod 管理策略
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| type PodManagementPolicyType string
const (
OrderedReady PodManagementPolicyType = "OrderedReady"
Parallel PodManagementPolicyType = "Parallel"
)
|
控制器工作流程
主循环
- 文件:
pkg/controller/statefulset/stateful_set.go
- 函数:
StatefulSetController.Run() (第 152 行)
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 控制器启动 │
│ StatefulSetController.Run(ctx, workers) │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 等待缓存同步 │
│ WaitForCacheSync(podListerSynced, setListerSynced, │
│ pvcListerSynced, revListerSynced) │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 启动 Worker │
│ for i := 0; i < workers; i++ │
│ go wait.Until(worker, time.Second) │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
单次调谐流程
- 函数:
StatefulSetController.sync() -> defaultStatefulSetControl.sync()
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 从队列获取 StatefulSet │
│ queue.Get() -> key │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 获取 StatefulSet 和关联资源 │
│ │
│ 1. 获取 StatefulSet 对象 │
│ 2. 获取关联的 Pod (通过 selector) │
│ 3. 获取关联的 PVC │
│ 4. 获取 ControllerRevisions │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 检查并创建 Headless Service │
│ │
│ - StatefulSet 必须关联一个 Headless Service │
│ - Service 提供 Pod 的网络标识 │
│ - 格式: <statefulset-name>-<ordinal>.<service-name>.<namespace>.svc │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 更新状态 │
│ │
│ - 计算当前副本数 │
│ - 计算就绪副本数 │
│ - 计算当前版本 │
│ - 更新 StatefulSetStatus │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 执行协调逻辑 │
│ │
│ 根据当前状态选择操作: │
│ ├── 缩容 -> 删除多余的 Pod (逆序) │
│ ├── 扩容 -> 创建新的 Pod (顺序) │
│ └── 更新 -> 滚动更新 Pod │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
有序部署/删除流程
OrderedReady 策略 (默认)
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 创建 Pod (扩容) │
│ │
│ StatefulSet: web, Replicas: 3 │
│ │
│ 步骤 1: 创建 web-0 │
│ ├── 创建 PVC: www-web-0 │
│ ├── 创建 Pod: web-0 │
│ └── 等待 web-0 Running && Ready │
│ │
│ 步骤 2: 创建 web-1 │
│ ├── 创建 PVC: www-web-1 │
│ ├── 创建 Pod: web-1 │
│ └── 等待 web-1 Running && Ready │
│ │
│ 步骤 3: 创建 web-2 │
│ ├── 创建 PVC: www-web-2 │
│ ├── 创建 Pod: web-2 │
│ └── 等待 web-2 Running && Ready │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 删除 Pod (缩容) │
│ │
│ StatefulSet: web, Replicas: 1 (从 3 缩容) │
│ │
│ 步骤 1: 删除 web-2 │
│ └── 等待 web-2 完全终止 │
│ │
│ 步骤 2: 删除 web-1 │
│ └── 等待 web-1 完全终止 │
│ │
│ 结果: 只保留 web-0 │
│ 注意: PVC 不会被删除 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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Parallel 策略
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 并行创建/删除 │
│ │
│ StatefulSet: web, Replicas: 3, PodManagementPolicy: Parallel │
│ │
│ 同时创建: │
│ ├── web-0 (创建 PVC: www-web-0, 创建 Pod) │
│ ├── web-1 (创建 PVC: www-web-1, 创建 Pod) │
│ └── web-2 (创建 PVC: www-web-2, 创建 Pod) │
│ │
│ 不等待前一个 Pod 就绪 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
滚动更新流程
RollingUpdate 策略
- 文件:
pkg/controller/statefulset/stateful_set_control.go
- 函数:
rollingUpdate()
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 滚动更新触发 │
│ StatefulSet Spec 变更 (Pod 模板更新) │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 创建新的 ControllerRevision │
│ │
│ - 记录新的 Pod 模板 │
│ - 更新 StatefulSet 的 currentRevision │
│ - 保留历史版本 (受 revisionHistoryLimit 限制) │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 逆序更新 Pod │
│ │
│ StatefulSet: web, Replicas: 3, Partition: 0 │
│ │
│ 步骤 1: 更新 web-2 │
│ ├── 删除旧 Pod web-2 │
│ ├── 等待 PVC 就绪 (如果更新了) │
│ ├── 使用新模板创建 web-2 │
│ └── 等待 web-2 Running && Ready │
│ │
│ 步骤 2: 更新 web-1 │
│ ├── 删除旧 Pod web-1 │
│ ├── 等待 PVC 就绪 │
│ ├── 使用新模板创建 web-1 │
│ └── 等待 web-1 Running && Ready │
│ │
│ 步骤 3: 更新 web-0 │
│ ├── 删除旧 Pod web-0 │
│ ├── 等待 PVC 就绪 │
│ ├── 使用新模板创建 web-0 │
│ └── 等待 web-0 Running && Ready │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
Partition 分区更新
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| spec:
updateStrategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
partition: 2
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| StatefulSet: web, Replicas: 4, Partition: 2
更新前:
web-0 (v1), web-1 (v1), web-2 (v1), web-3 (v1)
更新后 (新版本 v2):
web-0 (v1), web-1 (v1), web-2 (v2), web-3 (v2)
只有 ordinal >= 2 的 Pod 被更新
|
稳定网络标识
Pod 域名格式
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5
| <pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local
示例:
web-0.headless-service.default.svc.cluster.local
web-1.headless-service.default.svc.cluster.local
|
Headless Service 配置
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10
| apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: headless-service
spec:
clusterIP: None
selector:
app: web
ports:
- port: 80
|
DNS 记录
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| # 每个 Pod 获得一个 A 记录
web-0.headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.5
web-1.headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.6
web-2.headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.7
# Service 本身也有记录 (指向所有 Pod)
headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.5, 10.244.1.6, 10.244.1.7
|
PVC 管理
PVC 创建
- 文件:
pkg/controller/statefulset/stateful_pod_control.go
- 函数:
createPersistentVolumeClaims()
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| ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PVC 命名规则 │
│ │
│ <volumeclaim-name>-<statefulset-name>-<ordinal> │
│ │
│ 示例: www-web-0, www-web-1, www-web-2 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PVC 生命周期 │
│ │
│ 创建 Pod 前: │
│ 1. 检查 PVC 是否存在 │
│ 2. 如果不存在，从 VolumeClaimTemplate 创建 │
│ 3. 等待 PVC 绑定 (Bound) │
│ 4. 创建 Pod │
│ │
│ 删除 Pod 时: │
│ - PVC 不会被删除 │
│ - 数据被保留 │
│ - Pod 重新创建时绑定同一个 PVC │
│ │
│ 删除 StatefulSet 时: │
│ - PVC 不会被删除 │
│ - 需要手动清理 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
VolumeClaimTemplate 示例
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| apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: headless-service
replicas: 3
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
storageClassName: "standard"
resources:
requests:
storage: 1Gi
template:
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
|
关键代码路径
| 文件 |
说明 |
pkg/controller/statefulset/stateful_set.go |
StatefulSet 控制器 |
pkg/controller/statefulset/stateful_set_control.go |
协调逻辑 |
pkg/controller/statefulset/stateful_pod_control.go |
Pod 操作 |
pkg/controller/statefulset/stateful_pod_status_updater.go |
状态更新 |
staging/src/k8s.io/api/apps/v1/types.go |
API 类型 |
常见问题排查
1. Pod 卡在 Pending
1
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|
kubectl get pvc
kubectl describe pod <pod-name>
|
2. 滚动更新卡住
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5
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8
|
kubectl describe statefulset <name>
kubectl get statefulset <name> -o yaml | grep partition -A 2
|
3. PVC 数据丢失
1
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6
7
8
|
kubectl get pvc
kubectl get pv
|
4. 网络标识问题
1
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8
|
kubectl get svc <service-name>
kubectl exec -it <pod> -- nslookup web-0.headless-service
kubectl get endpoints <service-name>
|
配置示例
完整 StatefulSet
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| apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-headless
spec:
clusterIP: None
selector:
app: nginx
ports:
- port: 80
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: nginx-headless
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
podManagementPolicy: OrderedReady
updateStrategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
partition: 0
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
storageClassName: standard
resources:
requests:
storage: 1Gi
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.20
ports:
- containerPort: 80
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
|
面试题
基础题
1. StatefulSet 与 Deployment 有什么区别？
参考答案：
| 特性 |
StatefulSet |
Deployment |
| Pod 标识 |
稳定（web-0, web-1） |
随机（web-7f8b9c-x5k2） |
| 启动顺序 |
有序（0→1→2） |
并行 |
| 存储 |
每个Pod独立PVC |
共享或无 |
| 网络标识 |
稳定域名 |
无 |
| 扩缩容 |
有序 |
并行 |
| 适用场景 |
有状态应用 |
无状态应用 |
2. StatefulSet 的典型应用场景有哪些？
参考答案：
- 数据库：MySQL、PostgreSQL、MongoDB
- 消息队列：Kafka、RabbitMQ、Pulsar
- 缓存：Redis Cluster、Memcached
- 分布式存储：Elasticsearch、Cassandra、Ceph
- 协调服务：ZooKeeper、etcd
3. StatefulSet Pod 的命名规则是什么？
参考答案：
1
2
3
4
5
6
| <statefulset-name>-<ordinal>
示例：
web-0, web-1, web-2
mysql-0, mysql-1, mysql-2
kafka-0, kafka-1, kafka-2
|
特点：
- ordinal 从 0 开始
- 连续递增
- 删除后重建保留原名称
中级题
4. 解释 StatefulSet 的有序部署流程。
参考答案：
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| StatefulSet: web, Replicas: 3
步骤 1: 创建 web-0
├── 创建 PVC www-web-0
├── 创建 Pod web-0
└── 等待 web-0 Running && Ready
步骤 2: 创建 web-1
├── 创建 PVC www-web-1
├── 创建 Pod web-1
└── 等待 web-1 Running && Ready
步骤 3: 创建 web-2
├── 创建 PVC www-web-2
├── 创建 Pod web-2
└── 等待 web-2 Running && Ready
|
关键代码：pkg/controller/statefulset/stateful_set_control.go:365 - processReplica()
5. StatefulSet 的 Headless Service 有什么作用？
参考答案：
1. DNS 记录：
1
2
3
| web-0.headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.5
web-1.headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.6
web-2.headless-service.default.svc.cluster.local -> 10.244.1.7
|
2. 网络标识：
1
2
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4
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6
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11
|
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: headless-service
spec:
clusterIP: None
selector:
app: web
ports:
- port: 80
|
6. StatefulSet 的 PVC 管理机制是怎样的？
参考答案：
PVC 命名规则：
1
2
3
4
5
| <volumeclaim-name>-<statefulset-name>-<ordinal>
示例：
www-web-0, www-web-1, www-web-2
data-mysql-0, data-mysql-1
|
生命周期：
1
2
3
4
5
6
7
| 创建 Pod -> 创建 PVC -> 绑定 PV -> 创建 Pod
↑
独立生命周期
删除 Pod -> PVC 保留
删除 StatefulSet -> PVC 保留
手动删除 PVC -> PV 回收
|
7. StatefulSet 的两种 Pod 管理策略有什么区别？
参考答案：
| 策略 |
OrderedReady |
Parallel |
| 启动 |
顺序，等待前一个就绪 |
并行 |
| 终止 |
逆序，等待前一个终止 |
并行 |
| 扩缩 |
有序 |
并行 |
| 适用场景 |
需要严格顺序 |
可并行初始化 |
配置示例：
1
2
| spec:
podManagementPolicy: Parallel
|
高级题
8. StatefulSet 滚动更新的流程是怎样的？
参考答案：
1
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| StatefulSet: web, Replicas: 3
步骤 1: 更新 web-2（最高 ordinal）
├── 删除 Pod web-2
├── 使用新模板创建 web-2
└── 等待 Running && Ready
步骤 2: 更新 web-1
├── 删除 Pod web-1
├── 使用新模板创建 web-1
└── 等待 Running && Ready
步骤 3: 更新 web-0（最低 ordinal）
├── 删除 Pod web-0
├── 使用新模板创建 web-0
└── 等待 Running && Ready
|
关键点：
- 逆序更新：从最高 ordinal 开始
- 一次一个：等待前一个就绪后才更新下一个
- 保留存储：删除 Pod 不会删除 PVC
9. 解释 Partition 参数的作用。
参考答案：
Partition 用于金丝雀发布，只更新 ordinal >= partition 的 Pod。
1
2
3
4
5
6
| spec:
replicas: 5
updateStrategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
partition: 3
|
示例：
1
2
3
4
| Partition: 3, Replicas: 5
更新前: web-0(v1), web-1(v1), web-2(v1), web-3(v1), web-4(v1)
更新后: web-0(v1), web-1(v1), web-2(v1), web-3(v2), web-4(v2)
|
10. 如何实现 StatefulSet 的零停机更新？
参考答案：
1. 使用 OnDelete 策略：
1
2
3
| spec:
updateStrategy:
type: OnDelete
|
2. 使用 PreStop Hook：
1
2
3
4
| lifecycle:
preStop:
exec:
command: ["/bin/sh", "-c", "sleep 15; graceful-shutdown.sh"]
|
3. 使用 PodDisruptionBudget：
1
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4
5
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8
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| apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
name: web-pdb
spec:
minAvailable: 2
selector:
matchLabels:
app: web
|
11. StatefulSet 缩容时 PVC 会怎样？如何实现自动清理？
参考答案：
默认行为：PVC 不会被删除，数据保留。
自动清理配置（Kubernetes 1.23+）：
1
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5
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8
| apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
persistentVolumeClaimRetentionPolicy:
whenDeleted: Retain
whenScaled: Delete
|
场景题
12. 如何部署一个高可用的 MySQL 集群？
参考答案：
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| apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: mysql
spec:
serviceName: mysql-headless
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: mysql
template:
metadata:
labels:
app: mysql
spec:
initContainers:
- name: init-mysql
image: mysql:8.0
command:
- bash
- "-c"
- |
# 设置 server-id
[[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
# 主从配置
if [[ $ordinal -eq 0 ]]; then
cp /mnt/config-map/master.cnf /mnt/conf.d/
else
cp /mnt/config-map/slave.cnf /mnt/conf.d/
fi
volumeMounts:
- name: conf
mountPath: /mnt/conf.d
- name: config-map
mountPath: /mnt/config-map
containers:
- name: mysql
image: mysql:8.0
env:
- name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
valueFrom:
secretKeyRef:
name: mysql-secret
key: password
ports:
- containerPort: 3306
volumeMounts:
- name: data
mountPath: /var/lib/mysql
- name: conf
mountPath: /etc/mysql/conf.d
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: data
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
storageClassName: standard
resources:
requests:
storage: 10Gi
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: mysql-headless
spec:
clusterIP: None
selector:
app: mysql
ports:
- port: 3306
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: mysql-read
spec:
selector:
app: mysql
ports:
- port: 3306
|
关键设计点：
- 使用 Init Container 动态配置 server-id
- ordinal=0 为主节点，其他为从节点
- 读写分离通过不同 Service 实现
13. StatefulSet 更新卡住如何排查？
参考答案：
1. 检查 StatefulSet 状态：
1
| kubectl describe statefulset <name>
|
2. 检查 Pod 状态：
1
2
| kubectl get pods -l app=<app> -o wide
kubectl describe pod <pod-name>
|
3. 常见卡住原因：
- 镜像拉取失败：检查 imagePullPolicy 和 secret
- PVC 未绑定：检查 storageClass 和 PV
- 健康检查失败：检查 liveness/readiness probe
- 前一个 Pod 未就绪：OrderedReady 策略会等待
14. 如何实现 StatefulSet 的蓝绿部署？
参考答案：
方案 1：使用 Partition 分阶段：
1
2
3
4
5
6
7
|
kubectl patch statefulset web --type='json' \
-p='[{"op":"replace","path":"/spec/updateStrategy/rollingUpdate/partition","value":2}]'
kubectl patch statefulset web --type='json' \
-p='[{"op":"replace","path":"/spec/updateStrategy/rollingUpdate/partition","value":0}]'
|
15. 如何处理 StatefulSet 节点故障？
参考答案：
手动处理：
1
2
3
4
5
6
7
|
kubectl get nodes
kubectl delete pod <pod-name> --force --grace-period=0
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最佳实践：
1
2
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4
5
6
7
8
9
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spec:
affinity:
podAntiAffinity:
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- labelSelector:
matchLabels:
app: mysql
topologyKey: kubernetes.io/hostname
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