13 Job_CronJob:为什么不直接用Pod来处理业务?

你好,我是Chrono。

在上次的课里我们学习了Kubernetes的核心对象Pod,用来编排一个或多个容器,让这些容器共享网络、存储等资源,总是共同调度,从而紧密协同工作。

因为Pod比容器更能够表示实际的应用,所以Kubernetes不会在容器层面来编排业务,而是把Pod作为在集群里调度运维的最小单位。

前面我们也看到了一张Kubernetes的资源对象关系图,以Pod为中心,延伸出了很多表示各种业务的其他资源对象。那么你会不会有这样的疑问:Pod的功能已经足够完善了,为什么还要定义这些额外的对象呢?为什么不直接在Pod里添加功能,来处理业务需求呢?

这个问题体现了Google对大规模计算集群管理的深度思考,今天我就说说Kubernetes基于Pod的设计理念,先从最简单的两种对象——Job和CronJob讲起。

为什么不直接使用Pod

现在你应该知道,Kubernetes使用的是RESTful API,把集群中的各种业务都抽象为HTTP资源对象,那么在这个层次之上,我们就可以使用面向对象的方式来考虑问题。

如果你有一些编程方面的经验,就会知道面向对象编程(OOP),它把一切都视为高内聚的对象,强调对象之间互相通信来完成任务。

虽然面向对象的设计思想多用于软件开发,但它放到Kubernetes里却意外地合适。因为Kubernetes使用YAML来描述资源,把业务简化成了一个个的对象,内部有属性,外部有联系,也需要互相协作,只不过我们不需要编程,完全由Kubernetes自动处理(其实Kubernetes的Go语言内部实现就大量应用了面向对象)。

面向对象的设计有许多基本原则,其中有两条我认为比较恰当地描述了Kubernetes对象设计思路,一个是“单一职责”,另一个是“组合优于继承”。

“单一职责”的意思是对象应该只专注于做好一件事情,不要贪大求全,保持足够小的粒度才更方便复用和管理。

“组合优于继承”的意思是应该尽量让对象在运行时产生联系,保持松耦合,而不要用硬编码的方式固定对象的关系。

应用这两条原则,我们再来看Kubernetes的资源对象就会很清晰了。因为Pod已经是一个相对完善的对象,专门负责管理容器,那么我们就不应该再“画蛇添足”地盲目为它扩充功能,而是要保持它的独立性,容器之外的功能就需要定义其他的对象,把Pod作为它的一个成员“组合”进去。

这样每种Kubernetes对象就可以只关注自己的业务领域,只做自己最擅长的事情,其他的工作交给其他对象来处理,既不“缺位”也不“越位”,既有分工又有协作,从而以最小成本实现最大收益。

为什么要有Job/CronJob

现在我们来看看Kubernetes里的两种新对象:Job和CronJob,它们就组合了Pod,实现了对离线业务的处理。

上次课讲Pod的时候我们运行了两个Pod:Nginx和busybox,它们分别代表了Kubernetes里的两大类业务。一类是像Nginx这样长时间运行的“在线业务”,另一类是像busybox这样短时间运行的“离线业务”。

“在线业务”类型的应用有很多,比如Nginx、Node.js、MySQL、Redis等等,一旦运行起来基本上不会停,也就是永远在线。

而“离线业务”类型的应用也并不少见,它们一般不直接服务于外部用户,只对内部用户有意义,比如日志分析、数据建模、视频转码等等,虽然计算量很大,但只会运行一段时间。“离线业务”的特点是必定会退出,不会无期限地运行下去,所以它的调度策略也就与“在线业务”存在很大的不同,需要考虑运行超时、状态检查、失败重试、获取计算结果等管理事项。

而这些业务特性与容器管理没有必然的联系,如果由Pod来实现就会承担不必要的义务,违反了“单一职责”,所以我们应该把这部分功能分离到另外一个对象上实现,让这个对象去控制Pod的运行,完成附加的工作。

“离线业务”也可以分为两种。一种是“临时任务”,跑完就完事了,下次有需求了说一声再重新安排;另一种是“定时任务”,可以按时按点周期运行,不需要过多干预。

对应到Kubernetes里,“临时任务”就是API对象Job,“定时任务”就是API对象CronJob,使用这两个对象你就能够在Kubernetes里调度管理任意的离线业务了。

由于Job和CronJob都属于离线业务,所以它们也比较相似。我们先学习通常只会运行一次的Job对象以及如何操作。

如何使用YAML描述Job

Job的YAML“文件头”部分还是那几个必备字段,我就不再重复解释了,简单说一下:

如果记不住这些也不要紧,你还可以使用命令 kubectl explain job 来看它的字段说明。不过想要生成YAML样板文件的话不能使用 kubectl run,因为 kubectl run 只能创建Pod,要创建Pod以外的其他API对象,需要使用命令 kubectl create,再加上对象的类型名。

比如用busybox创建一个“echo-job”,命令就是这样的:

export out="--dry-run=client -o yaml"              # 定义Shell变量
kubectl create job echo-job --image=busybox $out

会生成一个基本的YAML文件,保存之后做点修改,就有了一个Job对象:

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: echo-job

spec:
  template:
    spec:
      restartPolicy: OnFailure
      containers:
      - image: busybox
        name: echo-job
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        command: ["/bin/echo"]
        args: ["hello", "world"]

你会注意到Job的描述与Pod很像,但又有些不一样,主要的区别就在“spec”字段里,多了一个 template 字段,然后又是一个“spec”,显得有点怪。

如果你理解了刚才说的面向对象设计思想,就会明白这种做法的道理。它其实就是在Job对象里应用了组合模式,template 字段定义了一个“应用模板”,里面嵌入了一个Pod,这样Job就可以从这个模板来创建出Pod。

而这个Pod因为受Job的管理控制,不直接和apiserver打交道,也就没必要重复apiVersion等“头字段”,只需要定义好关键的 spec,描述清楚容器相关的信息就可以了,可以说是一个“无头”的Pod对象。

为了辅助你理解,我把Job对象重新组织了一下,用不同的颜色来区分字段,这样你就能够很容易看出来,其实这个“echo-job”里并没有太多额外的功能,只是把Pod做了个简单的包装:

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总的来说,这里的Pod工作非常简单,在 containers 里写好名字和镜像,command 执行 /bin/echo,输出“hello world”。

不过,因为Job业务的特殊性,所以我们还要在 spec 里多加一个字段 restartPolicy,确定Pod运行失败时的策略,OnFailure 是失败原地重启容器,而 Never 则是不重启容器,让Job去重新调度生成一个新的Pod。

如何在Kubernetes里操作Job

现在让我们来创建Job对象,运行这个简单的离线作业,用的命令还是 kubectl apply

kubectl apply -f job.yml

创建之后Kubernetes就会从YAML的模板定义中提取Pod,在Job的控制下运行Pod,你可以用 kubectl get jobkubectl get pod 来分别查看Job和Pod的状态:

kubectl get job
kubectl get pod

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可以看到,因为Pod被Job管理,它就不会反复重启报错了,而是会显示为 Completed 表示任务完成,而Job里也会列出运行成功的作业数量,这里只有一个作业,所以就是 1/1

你还可以看到,Pod被自动关联了一个名字,用的是Job的名字(echo-job)再加上一个随机字符串(pb5gh),这当然也是Job管理的“功劳”,免去了我们手工定义的麻烦,这样我们就可以使用命令 kubectl logs 来获取Pod的运行结果:

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到这里,你可能会觉得,经过了Job、Pod对容器的两次封装,虽然从概念上很清晰,但好像并没有带来什么实际的好处,和直接跑容器也差不了多少。

其实Kubernetes的这套YAML描述对象的框架提供了非常多的灵活性,可以在Job级别、Pod级别添加任意的字段来定制业务,这种优势是简单的容器技术无法相比的。

这里我列出几个控制离线作业的重要字段,其他更详细的信息可以参考Job文档:

要注意这4个字段并不在 template 字段下,而是在 spec 字段下,所以它们是属于Job级别的,用来控制模板里的Pod对象。

下面我再创建一个Job对象,名字叫“sleep-job”,它随机睡眠一段时间再退出,模拟运行时间较长的作业(比如MapReduce)。Job的参数设置成15秒超时,最多重试2次,总共需要运行完4个Pod,但同一时刻最多并发2个Pod:

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: sleep-job

spec:
  activeDeadlineSeconds: 15
  backoffLimit: 2
  completions: 4
  parallelism: 2

  template:
    spec:
      restartPolicy: OnFailure
      containers:
      - image: busybox
        name: echo-job
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        command:
          - sh
          - -c
          - sleep $(($RANDOM % 10 + 1)) && echo done

使用 kubectl apply 创建Job之后,我们可以用 kubectl get pod -w 来实时观察Pod的状态,看到Pod不断被排队、创建、运行的过程:

kubectl apply -f sleep-job.yml
kubectl get pod -w

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等到4个Pod都运行完毕,我们再用 kubectl get 来看看Job和Pod的状态:

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就会看到Job的完成数量如同我们预期的是4,而4个Pod也都是完成状态。

显然,“声明式”的Job对象让离线业务的描述变得非常直观,简单的几个字段就可以很好地控制作业的并行度和完成数量,不需要我们去人工监控干预,Kubernetes把这些都自动化实现了。

如何使用YAML描述CronJob

学习了“临时任务”的Job对象之后,再学习“定时任务”的CronJob对象也就比较容易了,我就直接使用命令 kubectl create 来创建CronJob的样板。

要注意两点。第一,因为CronJob的名字有点长,所以Kubernetes提供了简写 cj,这个简写也可以使用命令 kubectl api-resources 看到;第二,CronJob需要定时运行,所以我们在命令行里还需要指定参数 --schedule

export out="--dry-run=client -o yaml"              # 定义Shell变量
kubectl create cj echo-cj --image=busybox --schedule="" $out

然后我们编辑这个YAML样板,生成CronJob对象:

apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  name: echo-cj

spec:
  schedule: '*/1 * * * *'
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          restartPolicy: OnFailure
          containers:
          - image: busybox
            name: echo-cj
            imagePullPolicy: IfNotPresent
            command: ["/bin/echo"]
            args: ["hello", "world"]

我们还是重点关注它的 spec 字段,你会发现它居然连续有三个 spec 嵌套层次:

所以,CronJob其实是又组合了Job而生成的新对象,我还是画了一张图,方便你理解它的“套娃”结构:

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除了定义Job对象的“jobTemplate”字段之外,CronJob还有一个新字段就是“schedule”,用来定义任务周期运行的规则。它使用的是标准的Cron语法,指定分钟、小时、天、月、周,和Linux上的crontab是一样的。像在这里我就指定每分钟运行一次,格式具体的含义你可以课后参考Kubernetes官网文档。

除了名字不同,CronJob和Job的用法几乎是一样的,使用 kubectl apply 创建CronJob,使用 kubectl get cjkubectl get pod 来查看状态:

kubectl apply -f cronjob.yml
kubectl get cj
kubectl get pod

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小结

好了,今天我们以面向对象思想分析了一下Kubernetes里的资源对象设计,它强调“职责单一”和“对象组合”,简单来说就是“对象套对象”。

通过这种嵌套方式,Kubernetes里的这些API对象就形成了一个“控制链”:

CronJob使用定时规则控制Job,Job使用并发数量控制Pod,Pod再定义参数控制容器,容器再隔离控制进程,进程最终实现业务功能,层层递进的形式有点像设计模式里的Decorator(装饰模式),链条里的每个环节都各司其职,在Kubernetes的统一指挥下完成任务。

小结一下今天的内容:

  1. Pod是Kubernetes的最小调度单元,但为了保持它的独立性,不应该向它添加多余的功能。
  2. Kubernetes为离线业务提供了Job和CronJob两种API对象,分别处理“临时任务”和“定时任务”。
  3. Job的关键字段是 spec.template,里面定义了用来运行业务的Pod模板,其他的重要字段有 completionsparallelism
  4. CronJob的关键字段是 spec.jobTemplatespec.schedule,分别定义了Job模板和定时运行的规则。

课下作业

最后是课下作业时间,给你留两个思考题:

  1. 你是怎么理解Kubernetes组合对象的方式的?它带来了什么好处?
  2. Job和CronJob的具体应用场景有哪些?能够解决什么样的问题?

欢迎在留言区分享你的疑问和学习心得,如果觉得有收获,也欢迎你分享给朋友一起学习。

下节课见。

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