使用 Clientset 获取 Kubernetes 资源对象

发布于 2022-5-9 14:43
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作者 |阳明
来源 | k8s技术圈(ID:kube100)

本节主要讲解 Kubernetes 核心的资源类型 Scheme 的定义以及如何使用 Clientset 来获取集群资源对象。

介绍

当我们操作资源和 apiserver 进行通信的时候,需要根据资源对象类型的 Group、Version、Kind 以及规范定义、编解码等内容构成 Scheme 类型,然后 Clientset 对象就可以来访问和操作这些资源类型了,Scheme 的定义主要在 api 子项目之中,源码仓库地址: https://github.com/kubernetes/api ,被同步到 Kubernetes 源码的 staging/src/k8s.io/api 之下。

主要就是各种资源对象的原始结构体定义,比如查看 apps/v1 目录下面的定义:

$ tree staging/src/k8s.io/api/apps/v1
staging/src/k8s.io/api/apps/v1
├── BUILD
├── doc.go
├── generated.pb.go
├── generated.proto
├── register.go
├── types.go
├── types_swagger_doc_generated.go
└── zz_generated.deepcopy.go

0 directories, 8 files

types.go 文件

其中 types.go 文件里面就是 apps/v1 这个 GroupVersion 下面所有的资源对象的定义,有 Deployment、DaemonSet、StatefulSet、ReplicaSet 等几个资源对象,比如 Deployment 的结构体定义如下所示:使用 Clientset 获取 Kubernetes 资源对象-开源基础软件社区

由 TypeMeta、ObjectMeta、DeploymentSpec 以及 DeploymentStatus 4个属性组成,和我们使用 YAML 文件定义的 Deployment 资源对象也是对应的。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:  nginx-deploy
  namespace: default
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80

其中 apiVersion 与 kind 就是 TypeMeta 属性,metadata 属性就是 ObjectMeta,spec 属性就是 DeploymentSpec,当资源部署过后也会包含一个 status 的属性,也就是 DeploymentStatus ,这样就完整的描述了一个资源对象的模型。

zz_generated.deepcopy.go 文件

上面定义的规范在 Kubernetes 中称为资源类型 Scheme,此外zz_generated.deepcopy.go 文件是由 deepcopy-gen 工具创建的定义各资源类型 DeepCopyObject() 方法的文件,所有注册到 Scheme 的资源类型都要实现 runtime.Object 接口:

// staging/src/k8s.io/apimachinery/pkg/runtime/interface.go
type Object interface {
  GetObjectKind() schema.ObjectKind
  DeepCopyObject() Object
}

而所有的资源类型都包含一个 TypeMeta 类型,而该类型实现了 GetObjectKind() 方法,所以各资源类型只需要实现 DeepCopyObject() 方法即可:

// staging/src/k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1/meta.go
func (obj *TypeMeta) GetObjectKind() schema.ObjectKind { return obj }

各个资源类型的 DeepCopyObject() 方法也不是手动定义,而是使用 deepcopy-gen 工具命令统一自动生成的,该工具会读取 types.go 文件中的 +k8s:deepcopy-gen 注释,以 Deployment 为例:

// +k8s:deepcopy-gen:interfaces=k8s.io/apimachinery/pkg/runtime.Object

// Deployment enables declarative updates for Pods and ReplicaSets.
type Deployment struct {
......
}

然后将自动生成的代码保存到 zz_generated.deepcopy.go 文件中。

register.go 文件

register.go 文件的主要作用是定义 AddToScheme 函数,将各种资源类型注册到 Clientset 使用的 Scheme 对象中去,由于每个资源自动生成了 DeepCopyObject() 方法,这样资源就实现了 runtime.Object 接口,所以可以注册到 Scheme 中去了。

// staging/src/k8s.io/api/apps/v1/register.go
var (
  // TODO: move SchemeBuilder with zz_generated.deepcopy.go to k8s.io/api.
  // localSchemeBuilder and AddToScheme will stay in k8s.io/kubernetes.
  SchemeBuilder      = runtime.NewSchemeBuilder(addKnownTypes)
  localSchemeBuilder = &SchemeBuilder
  // 对外暴露的 AddToScheme 方法用于注册该 Group/Verion 下的所有资源类型
  AddToScheme        = localSchemeBuilder.AddToScheme
)

// staging/src/k8s.io/client-go/kubernetes/scheme/register.go
// 新建一个 Scheme,将各类资源对象都添加到该 Scheme
var Scheme = runtime.NewScheme()
// 为 Scheme 中的所有类型创建一个编解码工厂
var Codecs = serializer.NewCodecFactory(Scheme)
// 为 Scheme 中的所有类型创建一个参数编解码工厂
var ParameterCodec = runtime.NewParameterCodec(Scheme)
// 将各 k8s.io/api/<Group>/<Version> 目录下资源类型的 AddToScheme() 方法注册到 SchemeBuilder 中
var localSchemeBuilder = runtime.SchemeBuilder{
  ......
  appsv1.AddToScheme,
  appsv1beta1.AddToScheme,
  appsv1beta2.AddToScheme,
  ......
}
var AddToScheme = localSchemeBuilder.AddToScheme

func init() {
  v1.AddToGroupVersion(Scheme, schema.GroupVersion{Version: "v1"})
  // 调用 SchemeBuilder 中各资源对象的 AddToScheme() 方法,将它们注册到到 Scheme 对象
  utilruntime.Must(AddToScheme(Scheme))
}

将各类资源类型注册到全局的 Scheme 对象中,这样 Clientset 就可以识别和使用它们了,那么我们应该如何使用 Clientset 呢?

示例

首先我们来看下如何通过 Clientset 来获取资源对象,我们这里来创建一个 Clientset 对象,然后通过该对象来获取默认命名空间之下的 Deployments 列表,代码如下所示:

package main

import (
  "flag"
  "fmt"
  "os"
  "path/filepath"

  metav1 "k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1"
  "k8s.io/client-go/kubernetes"
  "k8s.io/client-go/rest"
  "k8s.io/client-go/tools/clientcmd"
)

func main() {
  var err error
  var config *rest.Config
  var kubeconfig *string

  if home := homeDir(); home != "" {
    kubeconfig = flag.String("kubeconfig", filepath.Join(home, ".kube", "config"), "(optional) absolute path to the kubeconfig file")
  } else {
    kubeconfig = flag.String("kubeconfig", "", "absolute path to the kubeconfig file")
  }
  flag.Parse()

  // 使用 ServiceAccount 创建集群配置(InCluster模式)
  if config, err = rest.InClusterConfig(); err != nil {
    // 使用 KubeConfig 文件创建集群配置
    if config, err = clientcmd.BuildConfigFromFlags("", *kubeconfig); err != nil {
      panic(err.Error())
    }
  }

  // 创建 clientset
  clientset, err := kubernetes.NewForConfig(config)
  if err != nil {
    panic(err.Error())
  }
  // 使用 clientsent 获取 Deployments
  deployments, err := clientset.AppsV1().Deployments("default").List(metav1.ListOptions{})
  if err != nil {
    panic(err)
  }
  for idx, deploy := range deployments.Items {
    fmt.Printf("%d -> %s\n", idx+1, deploy.Name)
  }

}
func homeDir() string {
  if h := os.Getenv("HOME"); h != "" {
    return h
  }
  return os.Getenv("USERPROFILE") // windows
}

上面的代码运行可以获得 default 命名空间之下的 Deployments:

$ go run main.go
1 -> details-v1
2 -> el-gitlab-listener
3 -> nginx
4 -> productpage-v1
5 -> ratings-v1
6 -> reviews-v1
7 -> reviews-v2
8 -> reviews-v3

这是一个非常典型的访问 Kubernetes 集群资源的方式,通过 client-go 提供的 Clientset 对象来获取资源数据,主要有以下三个步骤:

  1. 使用 kubeconfig 文件或者 ServiceAccount(InCluster 模式)来创建访问 Kubernetes API 的 Restful 配置参数,也就是代码中的 rest.Config 对象
  2. 使用 rest.Config 参数创建 Clientset 对象,这一步非常简单,直接调用 kubernetes.NewForConfig(config) 即可初始化
  3. 然后是 Clientset 对象的方法去获取各个 Group 下面的对应资源对象进行 CRUD 操作

Clientset 对象

上面我们了解了如何使用 Clientset 对象来获取集群资源,接下来我们来分析下 Clientset 对象的实现。

上面我们使用的 Clientset 实际上是对各种资源类型的 Clientset 的一次封装:

// staging/src/k8s.io/client-go/kubernetes/clientset.go

// NewForConfig 使用给定的 config 创建一个新的 Clientset
func NewForConfig(c *rest.Config) (*Clientset, error) {
  configShallowCopy := *c
  if configShallowCopy.RateLimiter == nil && configShallowCopy.QPS > 0 {
    configShallowCopy.RateLimiter = flowcontrol.NewTokenBucketRateLimiter(configShallowCopy.QPS, configShallowCopy.Burst)
  }
  var cs Clientset
  var err error
  cs.admissionregistrationV1beta1, err = admissionregistrationv1beta1.NewForConfig(&configShallowCopy)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  // 将其他 Group 和版本的资源的 RESTClient 封装到全局的 Clientset 对象中
  cs.appsV1, err = appsv1.NewForConfig(&configShallowCopy)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  ......
  cs.DiscoveryClient, err = discovery.NewDiscoveryClientForConfig(&configShallowCopy)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  return &cs, nil
}

上面的 NewForConfig 函数里面就是将其他的各种资源的 RESTClient 封装到了全局的 Clientset 中,这样当我们需要访问某个资源的时候只需要使用 Clientset 里面包装的属性即可,比如 clientset.CoreV1() 就是访问 Core 这个 Group 下面 v1 这个版本的 RESTClient。这些局部的 RESTClient 都定义在 staging/src/k8s.io/client-go/typed///_client.go 文件中,比如 staging/src/k8s.io/client-go/kubernetes/typed/apps/v1/apps_client.go 这个文件中就是定义的 apps 这个 Group 下面的 v1 版本的 RESTClient,这里同样以 Deployment 为例:

// staging/src/k8s.io/client-go/kubernetes/typed/apps/v1/apps_client.go
// NewForConfig 根据 rest.Config 创建一个 AppsV1Client
func NewForConfig(c *rest.Config) (*AppsV1Client, error) {
  config := *c
  // 为 rest.Config 设置资源对象默认的参数
  if err := setConfigDefaults(&config); err != nil {
    return nil, err
  }
  // 实例化 AppsV1Client 的 RestClient
  client, err := rest.RESTClientFor(&config)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  return &AppsV1Client{client}, nil
}

func setConfigDefaults(config *rest.Config) error {
  // 资源对象的 GroupVersion
  gv := v1.SchemeGroupVersion
  config.GroupVersion = &gv
  // 资源对象的 root path
  config.APIPath = "/apis"
  // 使用注册的资源类型 Scheme 对请求和响应进行编解码,Scheme 就是前文中分析的资源类型的规范
  config.NegotiatedSerializer = serializer.DirectCodecFactory{CodecFactory: scheme.Codecs}

  if config.UserAgent == "" {
    config.UserAgent = rest.DefaultKubernetesUserAgent()
  }

  return nil
}

func (c *AppsV1Client) Deployments(namespace string) DeploymentInterface {
  return newDeployments(c, namespace)
}
// staging/src/k8s.io/client-go/kubernetes/typed/apps/v1/deployment.go
// deployments 实现了 DeploymentInterface 接口
type deployments struct {
  client rest.Interface
  ns     string
}
// newDeployments 实例化 deployments 对象
func newDeployments(c *AppsV1Client, namespace string) *deployments {
  return &deployments{
    client: c.RESTClient(),
    ns:     namespace,
  }
}

通过上面代码我们就可以很清晰的知道可以通过 clientset.AppsV1().Deployments("default")来获取一个 deployments 对象,然后该对象下面定义了 deployments 对象的 CRUD 操作,比如我们调用的 List() 函数:

// staging/src/k8s.io/client-go/kubernetes/typed/apps/v1/deployment.go

func (c *deployments) List(opts metav1.ListOptions) (result *v1.DeploymentList, err error) {
  var timeout time.Duration
  if opts.TimeoutSeconds != nil {
    timeout = time.Duration(*opts.TimeoutSeconds) * time.Second
  }
  result = &v1.DeploymentList{}
  err = c.client.Get().
    Namespace(c.ns).
    Resource("deployments").
    VersionedParams(&opts, scheme.ParameterCodec).
    Timeout(timeout).
    Do().
    Into(result)
  return
}

从上面代码可以看出最终是通过 c.client 去发起的请求,也就是局部的 restClient 初始化的函数中通过 rest.RESTClientFor(&config) 创建的对象,也就是将 rest.Config 对象转换成一个 Restful 的 Client 对象用于网络操作:

// staging/src/k8s.io/client-go/rest/config.go

// RESTClientFor 返回一个满足客户端 Config 对象上的属性的 RESTClient 对象。
// 注意在初始化客户端的时候,RESTClient 可能需要一些可选的属性。
func RESTClientFor(config *Config) (*RESTClient, error) {
  if config.GroupVersion == nil {
    return nil, fmt.Errorf("GroupVersion is required when initializing a RESTClient")
  }
  if config.NegotiatedSerializer == nil {
    return nil, fmt.Errorf("NegotiatedSerializer is required when initializing a RESTClient")
  }
  qps := config.QPS
  if config.QPS == 0.0 {
    qps = DefaultQPS
  }
  burst := config.Burst
  if config.Burst == 0 {
    burst = DefaultBurst
  }

  baseURL, versionedAPIPath, err := defaultServerUrlFor(config)
  if err != nil {
    return nil, err
  }

  transport, err := TransportFor(config)
  if err != nil {
    return nil, err
  }
  // 初始化一个 HTTP Client 对象
  var httpClient *http.Client
  if transport != http.DefaultTransport {
    httpClient = &http.Client{Transport: transport}
    if config.Timeout > 0 {
      httpClient.Timeout = config.Timeout
    }
  }

  return NewRESTClient(baseURL, versionedAPIPath, config.ContentConfig, qps, burst, config.RateLimiter, httpClient)
}

到这里我们就知道了 Clientset 是基于 RESTClient 的,RESTClient 是底层的用于网络请求的对象,可以直接通过 RESTClient 提供的 RESTful 方法如 Get()、Put()、Post()、Delete() 等和 APIServer 进行交互:

  • 同时支持 JSON 和 protobuf 两种序列化方式
  • 支持所有原生资源

但实际上除了常用的 CRUD 操作之外,我们还可以进行 Watch 操作,可以监听资源对象的增、删、改、查操作,这样我们就可以根据自己的业务逻辑去处理这些数据了,但是实际上也并不建议这样使用,因为往往由于集群中的资源较多,我们需要自己在客户端去维护一套缓存,而这个维护成本也是非常大的,为此 client-go 也提供了自己的实现机制,那就是 Informers。Informers 是这个事件接口和带索引查找功能的内存缓存的组合,这样也是目前最常用的用法。Informers 第一次被调用的时候会首先在客户端调用 List 来获取全量的对象集合,然后通过 Watch 来获取增量的对象更新缓存,这个我们后续在讲解。

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已于2022-5-9 14:43:46修改
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