k8s HPA 自动伸缩机制（配置，资源限制，）

HPA（Horizontal Pod Autoscaler）是Kubernetes中实现自动扩缩容Pod副本数量的机制。它允许集群中的工作负载（如Deployments、ReplicaSets和StatefulSets）根据实际的负载情况自动调整Pod的数量，以此来优化资源的使用和提高服务的响应能力。

核心概念

水平扩展（Horizontal Scaling）：增加Pod的数量来分摊负载，与垂直扩展（增加单个Pod的资源）相对。
Pod副本（Pod Replicas）：运行应用程序的容器实例，通常是在Deployment或ReplicaSet等控制器下管理的。
指标（Metrics）：用于触发HPA扩缩容的度量值，如CPU使用率、内存使用量、自定义的应用程序指标等。

工作原理

指标收集：HPA监控Pod的资源使用情况，如CPU和内存利用率。这些指标可以通过Kubernetes的Metrics API获取，或者使用自定义的指标提供者（如Prometheus）。
计算扩缩容：HPA根据当前的资源使用情况和预设的目标值（如CPU的目标利用率）计算出所需的Pod副本数量。如果当前的资源使用超过了目标值，HPA会增加Pod副本数量；如果资源使用低于目标值，HPA会减少Pod副本数量。
执行扩缩容：HPA通过更新相关的Deployment或ReplicaSet来改变Pod副本的数量。增加副本时，Kubernetes会创建新的Pod；减少副本时，会删除多余的Pod。

HPA 的配置关键参数

ScaleTargetRef：指定 HPA 将要作用的资源对象，如 Deployment、Replica Set 或 RC 的名称。
MinReplicas：最小副本数，即使在负载很低时也不会低于这个数量。
MaxReplicas：最大副本数，即使在负载很高时也不会超过这个数量。
Metrics：定义用于触发伸缩的度量标准和目标值。例如，可以设置 CPU 的利用率目标，当实际利用率超过这个目标值时，HPA 会增加副本数量；当利用率低于目标值时，HPA 会减少副本数量。

关键组件

HPA控制器（HPA Controller）：
这是HPA的核心组件，负责周期性地检查Pod的资源使用情况，并根据这些信息计算出所需的Pod副本数量。
它使用Metrics Server或其他监控工具来获取资源使用数据。
Metrics Server：
Metrics Server是Kubernetes集群中的一个组件，用于聚合资源使用数据，并通过Metrics API提供这些数据。
它提供了CPU和内存使用率等资源指标，这些指标是HPA进行扩缩容决策的基础。
自定义指标适配器（Custom Metrics Adapter）：
当需要使用自定义指标（如来自Prometheus的指标）时，自定义指标适配器允许HPA使用这些外部指标。
它通过Custom Metrics API将外部指标转换为Kubernetes可以理解的格式。
Deployment/ReplicaSet：
HPA通常与Deployment或ReplicaSet一起使用，这些是定义了Pod副本数量和更新策略的高级抽象。
当HPA决定调整副本数量时，它会通过修改Deployment或ReplicaSet的规格来实现。
Pods：
Pod是Kubernetes中的基本工作单元，HPA的目标就是根据指标自动调整Pod的数量。
每个Pod可以有一个或多个容器，HPA关注的是整个Pod的资源使用情况。
API服务器（API Server）：
Kubernetes API服务器是集群的通信中心，所有资源的创建、更新和删除都通过它进行。
HPA控制器通过API服务器与集群中的其他组件交互，如更新Deployment或ReplicaSet的副本数量。
Kubelet：
Kubelet是运行在每个节点上的守护进程，负责维护Pod的生命周期，包括启动、停止容器。
当HPA触发扩容时，Kubelet会在节点上启动新的Pod实例。
监控和日志系统：
虽然不是HPA的直接组件，但监控和日志系统对于理解和调试HPA的行为至关重要。
它们提供了关于Pod状态、资源使用和扩缩容事件的详细信息。
这些组件共同工作，使得HPA能够根据实际的负载情况自动调整Pod的数量，从而实现应用程序的弹性伸缩。

使用场景

应对流量波动：在Web服务中，流量可能在一天中的不同时间有很大波动。HPA可以根据流量自动调整Pod数量，以保持服务的响应性。
负载均衡：当新的Pod加入集群时，负载均衡器（如Kubernetes Service）会自动将流量路由到新的Pod，实现负载均衡。
资源优化：通过自动调整Pod数量，HPA有助于避免资源浪费，并确保资源得到最佳利用。

注意事项

周期性检测：HPA 根据 kube-controller-manager 服务的启动参数 horizontal-pod-autoscaler-sync-period 来定义检测周期，默认为 30 秒。这意味着 HPA 控制器会每 30 秒检查一次 Pod 的 CPU 使用率，以决定是否需要调整副本数量。
Kubernetes 资源对象：HPA 是 Kubernetes 中的一种资源对象，与 Replication Controller（RC）、Deployment 或 Replica Set 等资源对象类似。HPA 通过监控这些控制器管理的 Pod 负载变化情况，来动态调整副本数量。例如，如果一个 Deployment 管理了多个 Pod，HPA 将会监控这些 Pod 的平均 CPU 使用率，并根据这个指标来增加或减少 Pod 的数量。
metrics-server 部署：为了使 HPA 能够获取到 Pod 的度量数据，metrics-server 必须部署在 Kubernetes 集群中。metrics-server 通过 resource metrics API 提供集群资源的使用情况，包括 CPU 和内存的使用情况。这样，HPA 就可以利用这些数据来做出伸缩决策。

如何确保程序稳定和服务连续

快速扩容:
当 CPU 负载超过 HPA 设置的目标百分比时，HPA 会迅速增加 Pod 的副本数，以快速分摊负载并减轻单个 Pod 的压力。
快速扩容有助于避免性能瓶颈和响应时间的显著增加，这对于保持用户体验和服务质量至关重要。
缓慢缩容:
当 CPU 负载下降到目标百分比以下时，HPA 不会立即减少 Pod 的副本数。这是因为：
- 稳定性: 快速缩容可能会导致服务不稳定，尤其是在业务高峰期。如果缩容过于积极，剩余的 Pod 可能无法处理突然增加的负载，从而导致服务中断。
- 避免震荡: 避免因网络波动或其他临时负载变化导致的不必要缩放。缓慢缩容有助于减少因缩放操作本身引起的性能震荡。
- 预热: 新创建的 Pod 需要时间来“预热”，即加载应用资源、建立网络连接等。缓慢缩容可以确保在移除 Pod 之前，它们已经为服务做好了准备。
缩放策略:
HPA 缩放策略包括两个主要参数：scaleDownDelayAfterAdd 和 scaleDownUnneededTime。
scaleDownDelayAfterAdd 控制在添加新 Pod 后，HPA 等待多长时间才开始考虑缩放操作。
scaleDownUnneededTime 控制在 Pod 被认为是“不需要”的之前，HPA 等待多长时间。这个时间过后，如果 Pod 仍然没有达到 CPU 使用率目标，HPA 将开始缩放过程。

通过这种设计，Kubernetes HPA 旨在平衡快速响应和资源稳定性之间的关系，确保在面对不断变化的负载时，应用程序能够持续稳定地运行。这种平衡有助于避免因缩放操作导致的服务中断和性能问题。

二、metrics-server

metrics-server 是 Kubernetes 集群中的一个关键组件，它的作用是聚合和提供集群资源的使用情况。这些信息对于 Kubernetes 集群的各种内部组件和外部工具来说非常重要，它们依赖这些数据来进行决策和操作。以下是 metrics-server 的一些关键功能和用途：

资源使用情况聚合:
metrics-server 收集集群中每个节点的资源使用数据，包括 CPU 和内存的使用情况。
它还提供了 Pod 级别的资源使用信息。
支持 Kubernetes 核心功能:
Horizontal Pod Autoscaler (HPA): HPA 依赖 metrics-server 提供的数据来自动调整 Pod 副本的数量，以保持应用程序的稳定运行。
kubectl: kubectl top 命令使用 metrics-server 的数据来显示集群中节点和 Pod 的资源使用情况。
Scheduler: Kubernetes 的调度器使用节点的资源使用情况来做出调度决策，决定在哪里运行新的 Pod。
安全性:
metrics-server 可以配置为使用安全的 kubelet API，这意味着它可以在不暴露节点上 kubelet 的端口的情况下收集资源使用数据。
部署和维护:
metrics-server 通常作为 Kubernetes 集群的一部分进行部署，它可以使用 Helm chart 或者直接从容器镜像部署。
它需要在集群中的每个节点上运行，以便收集所有节点的资源使用情况。
配置选项:
可以通过配置文件或 Helm chart 的 values 文件来调整 metrics-server 的行为，例如设置日志级别、指定 kubelet 的地址和端口、配置资源请求和限制等。

部署 metrics-server

metrics-server：是kubernetes集群资源使用情况的聚合器，收集数据给kubernetes集群内使用，如kubectl、hpa、scheduler等。

准备 metrics-server 镜像:

将 metrics-server 的镜像包 metrics-server.tar 上传到所有 Node 节点的 /opt 目录。
使用 docker load -i metrics-server.tar 命令加载镜像到本地 Docker 环境。

cd /opt/
docker load -i metrics-server.tar

使用 Helm 安装 metrics-server:

创建一个目录 /opt/metrics 用于存放 metrics-server 的配置文件。

mkdir /opt/metrics
cd /opt/metrics

移除旧的 Helm 仓库（如果已添加）：

helm repo remove stable

添加新的 Helm 仓库，可以选择使用官方源或镜像源：

helm repo add stable https://charts.helm.sh/stable
# 或
helm repo add stable http://mirror.azure.cn/kubernetes/charts

更新 Helm 仓库：

helm repo update

从 Helm 仓库拉取 metrics-server chart：

helm pull stable/metrics-server

配置 metrics-server:

编辑 metrics-server.yaml 文件，配置 metrics-server 的参数，例如指定镜像仓库和标签，以及设置日志参数等。

vim metrics-server.yaml
args:
- --logtostderr
- --kubelet-insecure-tls
- --kubelet-preferred-address-types=InternalIP
image:
  repository: k8s.gcr.io/metrics-server-amd64
  tag: v0.3.2

安装 metrics-server:

使用 helm install 命令安装 metrics-server 到 kube-system 命名空间，并应用自定义的配置文件：

helm install metrics-server stable/metrics-server -n kube-system -f metrics-server.yaml

验证 metrics-server 部署:

使用 kubectl get pods -n kube-system | grep metrics-server 命令查看 metrics-server Pod 是否成功部署。

helm install metrics-server stable/metrics-server -n kube-system -f metrics-server.yaml

等待一段时间后，可以使用 kubectl top node 命令查看节点资源使用情况。

kubectl top node

使用 kubectl top pods --all-namespaces 命令查看所有命名空间中的 Pod 资源使用情况。

kubectl top pods --all-namespaces

通过这些步骤，可以确保 metrics-server 成功部署在 Kubernetes 集群中，并且可以提供集群资源使用情况的聚合信息，这对于 Kubernetes 集群的运维和自动扩缩容策略的实施非常关键。

三、部署 HPA

部署一个用于测试水平 Pod 自动扩缩容（HPA）的示例应用程序

上传镜像文件:

将 hpa-example.tar 镜像文件上传到所有节点的 /opt 目录。
hpa-example.tar 是谷歌基于 PHP 语言开发的用于测试 HPA 的镜像，其中包含了一些可以运行 CPU 密集计算任务的代码。
使用 docker load -i hpa-example.tar 命令加载镜像到本地 Docker 环境。

cd /opt
docker load -i hpa-example.tar

确认镜像已正确加载，使用 docker images | grep hpa-example 命令查看镜像列表。

docker images | grep hpa-example

创建 Deployment 和 Service 资源:

创建一个名为 hpa-pod.yaml 的文件，定义一个 Deployment 和一个 Service 资源。

vim hpa-pod.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    run: php-apache
  name: php-apache
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      run: php-apache
  template:
    metadata:
      labels:
        run: php-apache
    spec:
      containers:
      - image: gcr.io/google_containers/hpa-example
        name: php-apache
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          requests:
            cpu: 200m
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: php-apache
spec:
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    run: php-apache

在 Deployment 中，指定 hpa-example 镜像，并设置 CPU 请求资源为 200m（200 毫核）。
创建 Service 以暴露 Deployment 中的 Pod，使其可以通过网络访问。

应用资源定义:

使用 kubectl apply -f hpa-pod.yaml 命令应用资源定义，创建 Deployment 和 Service。
使用 kubectl get pods 命令查看 Pod 状态，确认 Pod 已成功创建并处于运行状态。

kubectl apply -f hpa-pod.yaml

kubectl get pods

通过这些步骤，可以在 Kubernetes 集群中部署一个应用程序，并使用 HPA 根据实际负载自动调整 Pod 副本数，从而实现应用程序的自动扩缩容。

四、配置和使用 HPA

在 Kubernetes 集群中使用 kubectl autoscale 命令创建一个水平 Pod 自动扩缩容（HPA）控制器，并对其进行了压力测试

创建 HPA 控制器

使用 kubectl autoscale 命令创建 HPA 控制器，设置 CPU 负载阈值为请求资源的 50%，并指定最小和最大 Pod 数量限制：

kubectl autoscale deployment php-apache --cpu-percent=50 --min=1 --max=10

监控 HPA 状态

使用 kubectl get hpa 命令查看 HPA 的状态，包括当前的 CPU 负载百分比、最小和最大 Pod 数量以及当前的 Pod 副本数。

//需要等一会儿，才能获取到指标信息 TARGETS
kubectl get hpa

kubectl top pods

压力测试

创建一个临时的测试客户端容器，使用 kubectl run 命令启动一个 busybox 容器，并在其中运行一个无限循环的 wget 命令，以模拟对 php-apache 服务的持续访问：

kubectl run -it load-generator --image=busybox /bin/sh
#增加负载
while true; do wget -q -O- http://php-apache.default.svc.cluster.local; done

观察 HPA 控制器的响应，可以看到随着 CPU 负载的增加，Pod 的副本数从 1 个增加到最大限制的 10 个。

#打开一个新的窗口，查看负载节点数目
kubectl get hpa -w

#如果 cpu 性能较好导致负载节点上升不到 10 个，可再创建一个测试客户端同时测试：
kubectl run -i --tty load-generator1 --image=busybox /bin/sh
# 加负载
while true; do wget -q -O- http://php-apache.default.svc.cluster.local; done

查看 Pod 状态

使用 kubectl get pods 命令查看集群中的 Pod 状态，确认已经根据负载增加了新的 Pod 实例。

kubectl get pods

通过这个过程，验证了 HPA 控制器能够根据实际的 CPU 负载情况自动调整 Pod 的数量，以保持服务的稳定性和响应性。当 CPU 负载超过设定的阈值时，HPA 控制器会增加 Pod 的副本数以分摊负载；当负载降低时，它会减少 Pod 的数量以节省资源。这种自动扩缩容机制对于处理不同负载情况下的应用程序非常有用，它有助于提高资源利用率和用户体验。

五、资源限制

资源限制的重要性

防止资源饥饿: 通过为 Pod 设置资源请求（requests）和限制（limits），可以防止单个应用程序消耗过多资源，导致其他应用程序因资源不足而受到影响。
优先级和抢占: 资源限制还与 Pod 的调度和优先级相关。Kubernetes 可以根据 Pod 的资源请求和限制来决定哪些 Pod 应该在资源紧张时被调度或抢占。
成本管理: 通过合理配置资源限制，可以避免在云环境中过度使用资源，从而有助于控制成本。

cgroup 的作用

控制组: cgroup（Control Groups）是 Linux 内核的一个特性，它允许对系统资源进行分组管理和限制。
资源隔离: cgroup 通过为每个组设置资源配额和限制，实现了对 CPU、内存、I/O 等资源的隔离和控制。

Pod 资源限制

requests: 指定 Pod 运行所需的最小资源量。Kubernetes 调度器会考虑这些请求来决定在哪个节点上调度 Pod。如果节点无法满足 Pod 的资源请求，Pod 将不会被调度到该节点。
limits: 指定 Pod 可以使用的最大资源量。如果 Pod 尝试使用超过其限制的资源，系统将通过 cgroup 强制限制资源使用，可能会导致 Pod 被杀死或重启。

示例配置解释

在提供的示例中，定义了一个包含资源限制的 Pod 配置：

spec:
  containers:
  - image: xxxx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: auth
    ports:
    - containerPort: 8080
      protocol: TCP
    resources:
      limits:
        cpu: "2"        # 限制 CPU 使用量为 2 个单位（可以是核心数或毫核）
        memory: 1Gi     # 限制内存使用量为 1Gi（Gibibytes）
      requests:
        cpu: 250m       # 请求 CPU 使用量为 250 毫核
        memory: 250Mi    # 请求内存使用量为 250Mi（Mebibytes）

在这个配置中，auth 容器请求了 250 毫核的 CPU 和 250Mi 的内存，同时设置了 2 个单位的 CPU 和 1Gi 内存的限制。这意味着 Kubernetes 会确保 auth 容器至少有 250 毫核的 CPU 和 250Mi 的内存可用，但如果资源充足，它可以使用更多，但不会超过 2 个单位的 CPU 和 1Gi 的内存。

通过这种方式，可以为 Kubernetes 集群中的 Pod 设置合理的资源请求和限制，以确保应用程序的性能和稳定性，同时优化资源的使用。

命名空间资源限制

在 Kubernetes 中使用 ResourceQuota 和 LimitRange 资源类型来对命名空间级别的资源使用进行限制和管理

ResourceQuota

ResourceQuota 允许管理员限制命名空间中可以使用的计算资源和配置对象的数量。这有助于防止意外的资源过度使用，确保集群资源的公平分配。

计算资源配额:

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota        #使用 ResourceQuota 资源类型
metadata:
  name: compute-resources
  namespace: spark-cluster  #指定命令空间
spec:
  hard:
    pods: "20"    #设置 Pod 数量最大值
    requests.cpu: "2"
    requests.memory: 1Gi
    limits.cpu: "4"
    limits.memory: 2Gi

在提供的第一个示例中，ResourceQuota 被命名为 compute-resources，它限制了 spark-cluster 命名空间中的资源使用：
pods：最多允许 20 个 Pod。
requests.cpu 和 requests.memory：所有 Pod 总和的 CPU 和内存请求量上限。
limits.cpu 和 limits.memory：单个 Pod 能够使用的 CPU 和内存量上限。

配置对象数量配额限制:

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: object-counts
  namespace: spark-cluster
spec:
  hard:
    configmaps: "10"
    persistentvolumeclaims: "4"        #设置 pvc 数量最大值
    replicationcontrollers: "20"    #设置 rc 数量最大值
    secrets: "10"
    services: "10"
    services.loadbalancers: "2"

第二个示例中的 ResourceQuota 被命名为 object-counts，它限制了 spark-cluster 命名空间中的配置对象数量：
configmaps、persistentvolumeclaims、replicationcontrollers、secrets、services：这些项限制了各种类型配置对象的数量。
services.loadbalancers：特别限制了使用负载均衡器类型的服务数量。

LimitRange

如果Pod没有设置requests和limits，则会使用当前命名空间的最大资源；如果命名空间也没设置，则会使用集群的最大资源。K8S 会根据 limits 限制 Pod 使用资源，当内存超过 limits 时 cgruops 会触发 OOM。
LimitRange 允许管理员设置命名空间中 Pod 或容器的资源请求和限制的默认值。这有助于确保即使 Pod 没有明确设置 requests 和 limits，也不会超出命名空间或集群级别的资源限制。

apiVersion: v1
kind: LimitRange     #使用 LimitRange 资源类型
metadata:
  name: mem-limit-range
  namespace: test    #可以给指定的 namespace 增加一个资源限制
spec:
  limits:
  - default:         #default 即 limit 的值
      memory: 512Mi
      cpu: 500m
    defaultRequest:   #defaultRequest 即 request 的值
      memory: 256Mi
      cpu: 100m
    type: Container  #类型支持 Container、Pod、PVC