client-go informer源码分析一(Reflector)

Informer

k8s里每一种资源(包括内置资源如pod和自定义资源),都会通过client-go代码生成器informer-gen,为该资源对象实现informer接口。为什么使用informer,就是性能好。有图好说话:

官方架构图

再来个官方controller demo,使用client-go实现控制器,创建informer工厂、定制关心的资源对象、定义事件回调处理函数这些框架都一样,复杂的逻辑还是业务那一块。

informer卓越的性能依赖于三大组件:

  1. Reflector:与k8s通讯,ListerWatcher就是Reflector的主要功能。根据业务关心的资源对象与apiserver建立链接,进行监控,当资源发生变化时(增删改),将事件添加到DeltaFIFO、并将事件(key)通过我们定义的回调函数发送到业务层。
  2. DeltaFIFO:先知道是一个队列就可以。
  3. Indexer:带索引的本地高效缓存。
    先一起了解下Reflector的实现

Reflector

Reflector的核心是ListFunc和WatchFunc两个函数,我们下面分析整个流程:

  1. list、watch函数是和informer一起定义的,看下informer的定义入口(prometheus operator为例):
    controller := &Controller{
        kubeclientset:            clientset,
        prometheusClientset:      prometheusClientset,
        prometheusLister:         prometheusInformer.Lister(),// Lister和下一行的Informer都会走到informer定义那块,但是发现已经定义过,就不会重复定义。
        prometheusSynced:         prometheusInformer.Informer().HasSynced,
                ......
    }
  1. 跟进来后最终是这个方法创建的informer,我们可以看到Prometheusesde list和watch方法的实现。
// NewFilteredPrometheusInformer constructs a new informer for Prometheus type.
// Always prefer using an informer factory to get a shared informer instead of getting an independent
// one. This reduces memory footprint and number of connections to the server.
func NewFilteredPrometheusInformer(client versioned.Interface, namespace string, resyncPeriod time.Duration, indexers cache.Indexers, tweakListOptions internalinterfaces.TweakListOptionsFunc) cache.SharedIndexInformer {
    return cache.NewSharedIndexInformer(
        &cache.ListWatch{
            ListFunc: func(options metav1.ListOptions) (runtime.Object, error) {
                if tweakListOptions != nil {
                    tweakListOptions(&options)
                }
                return client.MonitoringV1().Prometheuses(namespace).List(options)
            },
            WatchFunc: func(options metav1.ListOptions) (watch.Interface, error) {
                if tweakListOptions != nil {
                    tweakListOptions(&options)
                }
                return client.MonitoringV1().Prometheuses(namespace).Watch(options)
            },
        },
        &monitoringv1.Prometheus{},
        resyncPeriod,
        indexers,
    )
}
  1. ListFunc就是一次携带了namespace、资源对象(这里是prometheus)和资源信息的简单get请求
// List takes label and field selectors, and returns the list of Prometheuses that match those selectors.
func (c *prometheuses) List(opts metav1.ListOptions) (result *v1.PrometheusList, err error) {
    var timeout time.Duration
    if opts.TimeoutSeconds != nil {
        timeout = time.Duration(*opts.TimeoutSeconds) * time.Second
    }
    result = &v1.PrometheusList{}
    err = c.client.Get().
        Namespace(c.ns).
        Resource("prometheuses").
        VersionedParams(&opts, scheme.ParameterCodec).
        Timeout(timeout).
        Do().
        Into(result)
    return
}
  1. WatchFunc则与apiserver建立一个长连接,每当etcd资源发生变化时apiserver就会通知client-go客户端,依赖http分块传输编码机制。
// Watch returns a watch.Interface that watches the requested prometheuses.
func (c *prometheuses) Watch(opts metav1.ListOptions) (watch.Interface, error) {
    var timeout time.Duration
    if opts.TimeoutSeconds != nil {
        timeout = time.Duration(*opts.TimeoutSeconds) * time.Second
    }
    opts.Watch = true
    return c.client.Get().
        Namespace(c.ns).
        Resource("prometheuses").
        VersionedParams(&opts, scheme.ParameterCodec).
        Timeout(timeout).
        Watch()
}
  1. 通过ListWatch和&monitoringv1.Prometheus{}实例化一个Prometheus informer
// NewSharedIndexInformer creates a new instance for the listwatcher.
func NewSharedIndexInformer(lw ListerWatcher, objType runtime.Object, defaultEventHandlerResyncPeriod time.Duration, indexers Indexers) SharedIndexInformer {
    realClock := &clock.RealClock{}
    sharedIndexInformer := &sharedIndexInformer{
        processor:                       &sharedProcessor{clock: realClock},
        indexer:                         NewIndexer(DeletionHandlingMetaNamespaceKeyFunc, indexers),
        listerWatcher:                   lw,
        objectType:                      objType,
        resyncCheckPeriod:               defaultEventHandlerResyncPeriod,
        defaultEventHandlerResyncPeriod: defaultEventHandlerResyncPeriod,
        cacheMutationDetector:           NewCacheMutationDetector(fmt.Sprintf("%T", objType)),
        clock:                           realClock,
    }
    return sharedIndexInformer
}
  1. 在informer工厂方法中运行Prometheus实例,把上面定义的Lister、Watcher方法及资源对象类型复制给informer 的控制器
// Start initializes all requested informers.
func (f *sharedInformerFactory) Start(stopCh <-chan struct{}) {
    f.lock.Lock()
    defer f.lock.Unlock()

    for informerType, informer := range f.informers {
        if !f.startedInformers[informerType] {
            go informer.Run(stopCh)
            f.startedInformers[informerType] = true
        }
    }
}

func (s *sharedIndexInformer) Run(stopCh <-chan struct{}) {
    ......
    cfg := &Config{
        Queue:            fifo,
        ListerWatcher:    s.listerWatcher, // 这里把listerWatcher 和 资源对象赋给Informer 的controller
        ObjectType:       s.objectType,
       ......
    }
        ......
    defer func() {
        s.startedLock.Lock()
        defer s.startedLock.Unlock()
        s.stopped = true // Don't want any new listeners
    }()
    s.controller.Run(stopCh)    // 直接看
}
  1. controller 中的主要逻辑是Reflector,Reflector会一直监听k8s中资源对象,直到我们的业务程序正常或者异常退出
func (c *controller) Run(stopCh <-chan struct{}) {
        ......
    // 创建reflector,这里有我们一路带过来的ListerWatcher、ObjectType
    r := NewReflector(
        c.config.ListerWatcher,
        c.config.ObjectType,
        c.config.Queue,
        c.config.FullResyncPeriod,
    )
    r.ShouldResync = c.config.ShouldResync
    r.clock = c.clock
    if c.config.WatchErrorHandler != nil {
        r.watchErrorHandler = c.config.WatchErrorHandler
    }

    c.reflectorMutex.Lock()
    c.reflector = r
    c.reflectorMutex.Unlock()
    wg.StartWithChannel(stopCh, r.Run)  // 主要看这里的Reflector的run方法

    wait.Until(c.processLoop, time.Second, stopCh)
}
  1. reflector 将list和watch逻辑都封装在ListAndWatch方法中。这里如果watch长连接断开了,ListAndWatch会被再次执行,例如,网络异常回复后,这样就会重新执行ListAndWatch。
func (r *Reflector) Run(stopCh <-chan struct{}) {
    klog.V(2).Infof("Starting reflector %s (%s) from %s", r.expectedTypeName, r.resyncPeriod, r.name)
    wait.BackoffUntil(func() {
        if err := r.ListAndWatch(stopCh); err != nil {
            r.watchErrorHandler(r, err)
        }
    }, r.backoffManager, true, stopCh)
    klog.V(2).Infof("Stopping reflector %s (%s) from %s", r.expectedTypeName, r.resyncPeriod, r.name)
}
  1. reflector中resource version(就是我们kubectl get pod -oyaml 中的resource version)是很重要的概念,list和watch都依赖版本号,第一次list时ResourceVersion设置为0,就会list所有版本的资源对象;然后会把当前版本号设置为list结果最新版本号;如果发生ListAndWatch重启,list才会执行第二次,这是会list当前最新版本号之后的资源对象,否则list只会执行一次。最后forLoop 运行Watch, 如果有事件发生,通过watchHandler将时间加到DeltaFIFO中,没有事件就阻塞。
func (r *Reflector) ListAndWatch(stopCh <-chan struct{}) error {
    ......
    // Explicitly set "0" as resource version - it's fine for the List()
    // to be served from cache and potentially be delayed relative to
    // etcd contents. Reflector framework will catch up via Watch() eventually.
    options := metav1.ListOptions{ResourceVersion: "0"}

    if err := func() error {
        initTrace := trace.New("Reflector ListAndWatch", trace.Field{"name", r.name})
        defer initTrace.LogIfLong(10 * time.Second)
        var list runtime.Object
        var err error
        listCh := make(chan struct{}, 1)
        panicCh := make(chan interface{}, 1)
        go func() {
            defer func() {
                if r := recover(); r != nil {
                    panicCh <- r
                }
            }()
            // Attempt to gather list in chunks, if supported by listerWatcher, if not, the first
            // list request will return the full response.
            // 这里用pager封装了一下list,目的是通过分页的方式list数据,例如1000个对象分10次传输,避免apiserver瞬间压力过大。
            pager := pager.New(pager.SimplePageFunc(func(opts metav1.ListOptions) (runtime.Object, error) {
                return r.listerWatcher.List(opts)
            }))
            if r.WatchListPageSize != 0 {
                pager.PageSize = r.WatchListPageSize
            }
            // Pager falls back to full list if paginated list calls fail due to an "Expired" error.
            list, err = pager.List(context.Background(), options)
            close(listCh)
        }()
        ......

        // 获取版本号
        resourceVersion = listMetaIn//terface.GetResourceVersion()
        initTrace.Step("Resource version extracted")
        items, err := meta.ExtractList(list)
        if err != nil {
            return fmt.Errorf("%s: Unable to understand list result %#v (%v)", r.name, list, err)
        }
        initTrace.Step("Objects extracted")
        // 将数据存储到DeltaFIFO
        if err := r.syncWith(items, resourceVersion); err != nil {
            return fmt.Errorf("%s: Unable to sync list result: %v", r.name, err)
        }
        initTrace.Step("SyncWith done")
        // 跟新版本号
        r.setLastSyncResourceVersion(resourceVersion)
        initTrace.Step("Resource version updated")
        return nil
    }(); err != nil {
        return err
    }
        ......


    for {
        // give the stopCh a chance to stop the loop, even in case of continue statements further down on errors
        select {
        case <-stopCh:
            return nil
        default:
        }

        timeoutSeconds := int64(minWatchTimeout.Seconds() * (rand.Float64() + 1.0))
        options = metav1.ListOptions{
            ResourceVersion: resourceVersion,
        ......
        }
        // 没有事件发生,则阻塞
        w, err := r.listerWatcher.Watch(options)
        if err != nil {
            switch err {
            case io.EOF:
                // watch closed normally
            case io.ErrUnexpectedEOF:
                klog.V(1).Infof("%s: Watch for %v closed with unexpected EOF: %v", r.name, r.expectedType, err)
            default:
                utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: Failed to watch %v: %v", r.name, r.expectedType, err))
            }
            // If this is "connection refused" error, it means that most likely apiserver is not responsive.
            // It doesn't make sense to re-list all objects because most likely we will be able to restart
            // watch where we ended.
            // If that's the case wait and resend watch request.
            if utilnet.IsConnectionRefused(err) {
                time.Sleep(time.Second)
                continue
            }
            return nil
        }
        // watch到事件后,通过watchHandler发送到DeltaFIFO
        if err := r.watchHandler(w, &resourceVersion, resyncerrc, stopCh); err != nil {
            if err != errorStopRequested {
                switch {
                case apierrs.IsResourceExpired(err):
                    klog.V(4).Infof("%s: watch of %v ended with: %v", r.name, r.expectedType, err)
                default:
                    klog.Warningf("%s: watch of %v ended with: %v", r.name, r.expectedType, err)
                }
            }
            return nil
        }
    }
}
  1. watchHandler根据watch的数据更新DeltaFIFO和资源版本号
// watchHandler watches w and keeps *resourceVersion up to date.
func (r *Reflector) watchHandler(w watch.Interface, resourceVersion *string, errc chan error, stopCh <-chan struct{}) error {
    ......

loop:
    for {
        select {
        case <-stopCh:
            return errorStopRequested
        case err := <-errc:
            return err
        case event, ok := <-w.ResultChan():
            if !ok {
                break loop
            }
            if event.Type == watch.Error {
                return apierrs.FromObject(event.Object)
            }
            if e, a := r.expectedType, reflect.TypeOf(event.Object); e != nil && e != a {
                utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: expected type %v, but watch event object had type %v", r.name, e, a))
                continue
            }
            meta, err := meta.Accessor(event.Object)
            if err != nil {
                utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: unable to understand watch event %#v", r.name, event))
                continue
            }
            newResourceVersion := meta.GetResourceVersion()
            switch event.Type {
            case watch.Added:
                err := r.store.Add(event.Object)
                if err != nil {
                    utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: unable to add watch event object (%#v) to store: %v", r.name, event.Object, err))
                }
            case watch.Modified:
                err := r.store.Update(event.Object)
                if err != nil {
                    utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: unable to update watch event object (%#v) to store: %v", r.name, event.Object, err))
                }
            case watch.Deleted:
                // TODO: Will any consumers need access to the "last known
                // state", which is passed in event.Object? If so, may need
                // to change this.
                err := r.store.Delete(event.Object)
                if err != nil {
                    utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: unable to delete watch event object (%#v) from store: %v", r.name, event.Object, err))
                }
            case watch.Bookmark:
                // A `Bookmark` means watch has synced here, just update the resourceVersion
            default:
                utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("%s: unable to understand watch event %#v", r.name, event))
            }
            *resourceVersion = newResourceVersion
            r.setLastSyncResourceVersion(newResourceVersion)
            eventCount++
        }
    }
        ......
}
  1. watch decoder的实现, 没有事件则blocks
// Decode blocks until it can return the next object in the reader. Returns an error
// if the reader is closed or an object can't be decoded.
func (d *Decoder) Decode() (watch.EventType, runtime.Object, error) {
    var got metav1.WatchEvent
    res, _, err := d.decoder.Decode(nil, &got)
    if err != nil {
        return "", nil, err
    }
    if res != &got {
        return "", nil, fmt.Errorf("unable to decode to metav1.Event")
    }
    switch got.Type {
    case string(watch.Added), string(watch.Modified), string(watch.Deleted), string(watch.Error), string(watch.Bookmark):
    default:
        return "", nil, fmt.Errorf("got invalid watch event type: %v", got.Type)
    }

    obj, err := runtime.Decode(d.embeddedDecoder, got.Object.Raw)
    if err != nil {
        return "", nil, fmt.Errorf("unable to decode watch event: %v", err)
    }
    return watch.EventType(got.Type), obj, nil
}

最后

这里把Reflector的机制做了比较详细的介绍,如果大家想看的更新,相信这篇文章也会提供一点思路,看源码时更清晰。

参考

https://github.com/kubernetes/sample-controller/blob/master/main.go
https://weread.qq.com/web/reader/f1e3207071eeeefaf1e138a

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