【Knative系列】如何基于 Knative 开发自定义控制器

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1. 为什么要开发 自定义 controller？

开源版本的 Knative 提供了扩缩容及事件驱动的架构，对于大部分场景的 Serverless 已经满足了，不过对于商业版本的 Serverless 平台来说，免不了要添加一些增强特性。

通常情况下，In-Tree 形式的增强不推荐，而且这种方式也会因开源版本升级带来不小的适配工作量。

Out-Of-Tree 形式的 自定义 controller 是一种很好特性增强方式，而且社区本身对于周边组件的解耦也是通过 controller 来对接的。比如：

  • net-contour : 对接 Contour 七层负载的网络插件
  • net-kourier : 对接 Kourier 七层负载的网络插件
  • net-istio : 对接 Istio 七层负载的网络插件

上述提到的几个网络插件都是通过 自定义 Controller 结合 Kingress 这个 CRD资源来实现

2. How？

对于 有过 Kubernetes operator 开发经验的同学来说，可能对 Kubebuilder 更熟悉一些，其实 Knative 自定义 控制器的开发更简单，下面一步一步介绍怎么开始

2.1 Fork 社区 Template

社区 项目地址在 https://github.com/knative-sandbox/sample-controller，直接 fork 到个人仓库。

2.2 sample-controller介绍

代码下载到本地,目录如下，如下（此处省略掉不重要的文件）：

sample-controller
├── cmd
│   ├── controller 
│   │   └── main.go # controller 的启动入口文件
│   ├── schema
│   │   └── main.go # 生成 CRD 资源的 工具
│   └── webhook
│       └── main.go # webhook 的入口文件
├── config # controller 和webhook 的部署文件（deploy role clusterrole 等等，此处省略）
│   ├── 300-addressableservice.yaml
│   ├── 300-simpledeployment.yaml
├── example-addressable-service.yaml # CR 资源的示例yaml
├── example-simple-deployment.yaml # CR 资源的示例yaml
├── hack
│   ├── update-codegen.sh # 生成 informer，clientset，injection，lister 等
│   ├── update-deps.sh
│   ├── update-k8s-deps.sh
│   └── verify-codegen.sh
├── pkg
│   ├── apis
│   │   └── samples 
│   │       ├── register.go
│   │       └── v1alpha1 # 此处需编写 CRD 资源的types
│   ├── client # 执行 hack/update-codegen.sh 后自动生成的文件
│   │   ├── clientset
│   │   ├── informers
│   │   ├── injection
│   │   └── listers
│   └── reconciler # 此处是控制器的主要逻辑，示例中实现了两个控制器，每个控制器包含主控制器入口（controller.go） 和对应的 reconcile 逻辑
│       ├── addressableservice
│       │   ├── addressableservice.go
│       │   └── controller.go
│       └── simpledeployment
│           ├── controller.go
│           └── simpledeployment.go

目录介绍：

  • cmd: 包含 controller 和webhook 的入口 main 函数,以及生成 crd 的 schema 工具（这也是笔者的社区贡献之一）
  • config： controller 和webhook 的部署文件（本文只关注 controller）
  • hack：是 程序自动生成代码的脚本，其中的 update-codegen.sh 最常用，是生成 informer，clientset，injection，lister 的工具
  • pkg/apis: 此处是 CRD 定义的 types 文件
  • pkg/client: 这里是 执行 hack/update-codegen.sh 后自动生成的,包含 clienset，informers, injection(常用的是其中的 reconfiler 框架，框架中 lister 和 informer 可以从 context 中获取，这也是 injection 的含义) ，lister。
  • pkg/reconciler: 这里是控制器的主要逻辑，包括控制器主入口 controller.go 和对应的 reconciler逻辑

2.3 CRD 资源定义

1. 确定 GKV，即资源的 Group、Kind、Version

此处实例中，有两个 crd 资源，本文主要以 AddressableService 为例讲解。

  • Group 为samples.knative.dev ，
  • Kind 为 AddressableService (实例中有两个类型，取一个介绍)，
  • Version 为v1alpha1

2.编写 CRD types 文件

目录按照 /pkg/apis/<kind 一般取 groupname 第一个逗号前的单词>/<version>

Group 和 Version及其注册

# pkg/apis/samples/register.go#20
package samples
const (
	GroupName = "samples.knative.dev"
)

在 addKnownTypes 中将 Kind 注册

# pkg/apis/samples/v1alpha1/register.go#27
// SchemeGroupVersion is group version used to register these objects
var SchemeGroupVersion = schema.GroupVersion{Group: samples.GroupName, Version: "v1alpha1"}
// Adds the list of known types to Scheme.
func addKnownTypes(scheme *runtime.Scheme) error {
	scheme.AddKnownTypes(SchemeGroupVersion,
		&AddressableService{},
		&AddressableServiceList{},
	)
	metav1.AddToGroupVersion(scheme, SchemeGroupVersion)
	return nil
}

为 CRD types 编写对应的 spec 和 status, 注意其中的注解，这是 hack/update-codegen.sh 执行生成 clientset 和 reconciler 的关键

// +genclient
// +genreconciler
// +k8s:deepcopy-gen:interfaces=k8s.io/apimachinery/pkg/runtime.Object
# pkg/apis/samples/v1alpha1/addressable_service_types.go#32
// +genclient
// +genreconciler
// +k8s:deepcopy-gen:interfaces=k8s.io/apimachinery/pkg/runtime.Object
type AddressableService struct {
	metav1.TypeMeta `json:",inline"`
	// +optional
	metav1.ObjectMeta `json:"metadata,omitempty"`
	// Spec holds the desired state of the AddressableService (from the client).
	// +optional
	Spec AddressableServiceSpec `json:"spec,omitempty"`
	// Status communicates the observed state of the AddressableService (from the controller).
	// +optional
	Status AddressableServiceStatus `json:"status,omitempty"`
}

3 CRD 资源的 配置

可以看到，对于每个 CRD 资源，除了 xxxtypes.go 外，还有以下几个文件

  • xxx_validation.go: 用于 webhook 校验
  • _xxx__lifecycle.go: 用于status 状态的设置

  • xxx_defaults.go: 用于 默认值的设置

    可在 xxx_types 文件中 声明如下，校验是否实现了对应的接口

// Check that AddressableService can be validated and defaulted.
_ apis.Validatable   = (*AddressableService)(nil)
_ apis.Defaultable   = (*AddressableService)(nil)
_ kmeta.OwnerRefable = (*AddressableService)(nil)
// Check that the type conforms to the duck Knative Resource shape.
_ duckv1.KRShaped = (*AddressableService)(nil)

4. hack/update-codegen.sh 文件配置

# 1. knative.dev/sample-controller/pkg/client 表示生成代码的目标位置
# 2. knative.dev/sample-controller/pkg/apis  表示 CRD 资源定义的文件位置
# 3. `samples:v1alpha1` 表示 crd 的kind 版本
# 4. `deepcopy,client,informer,lister` 表示生成对应的方法
${CODEGEN_PKG}/generate-groups.sh "deepcopy,client,informer,lister" \
  knative.dev/sample-controller/pkg/client knative.dev/sample-controller/pkg/apis \
  "samples:v1alpha1" \
  --go-header-file ${REPO_ROOT_DIR}/hack/boilerplate/boilerplate.go.txt
group "Knative Codegen"
# injection 这是生成 reconciler 的关键
# Knative Injection
${KNATIVE_CODEGEN_PKG}/hack/generate-knative.sh "injection" \
  knative.dev/sample-controller/pkg/client knative.dev/sample-controller/pkg/apis \
  "samples:v1alpha1" \
  --go-header-file ${REPO_ROOT_DIR}/hack/boilerplate/boilerplate.go.txt

5. 编写完毕，执行 bash hack/update-codegen.sh

执行完毕没出错的话，就可以进行下一步编写控制器主逻辑了

如果是 mac 用户，这里一定要升级 bash 版本到 v4(执行 bash –version 查看)，不然会出现如下问题，升级方法请自行百度

bash hack/update-codegen.sh
hack/../vendor/knative.dev/hack/library.sh: line 25: conditional binary operator expected

2.4 控制器逻辑介绍

controller 入口文件

# cmd/controller/main.go
func main() {
	sharedmain.Main("controller",
		addressableservice.NewController,
		simpledeployment.NewController,
	)
}

sharedmain.Main 函数传入 controller 的初始化方法，该方法会返回一个 controller 的实现 controller.impl ,impl 的定义如下

# https://github.com/knative/pkg 
# knative.dev/pkg/controller/controller.go#188
type Impl struct {
// 控制器的名字
	Name string
	// Reconciler 是主要实现逻辑，实现了接口 	Reconcile(ctx context.Context, key string) error
  // Reconciler 会调用
	Reconciler Reconciler
// 工作队列
	workQueue *twoLaneQueue
}
# knative.dev/pkg/controller/controller.go#65
type Reconciler interface {
	Reconcile(ctx context.Context, key string) error

sharedmain.Main 会执行以下事情：

  1. 启动各种 informer，启动 所有 controller， knative.dev/pkg/injection/sharedmain/main.go#238
  2. 执行工作流 processNextWorkItem ，knative.dev/pkg/injection/sharedmain/main.go#468
  3. 调用 Reconciler 接口的 Reconcile(ctx context.Context,key string) err 函数
  4. Reconcile(ctx context.Context,key string) err 函数调用 具体的 Reconciler 的实现接口 (这里就是用户自己实现的代码了)sample-controller/pkg/client/injection/reconciler/samples/v1alpha1/addressableservice/reconciler.go#181
    • FinalizeKind(ctx context.Context, o v1alpha1.AddressableService) reconciler.Event
    • FinalizeKind(ctx context.Context, o v1alpha1.AddressableService) reconciler.Event
    1. 接下来就是上述第 4点说的自己实现的代码了

      2.5 控制器逻辑编写

      代码主要在 如下两个文件：
  • sample-controller/pkg/reconciler/addressableservice/addressableservice.go
  • sample-controller/pkg/reconciler/addressableservice/controller.go

addressableservice.go 实现 AddressableService 的 ReconcileKind 接口,如果删除 CR 资源时要做清理动作，可以实现 Finalizer 的 FinalizeKind 接口,可通过以下声明 确保接口的实现（IDE 一键生成函数框架）

// Check that our Reconciler implements Interface
var _ addressableservicereconciler.Interface = (*Reconciler)(nil)
var _ addressableservicereconciler.Finalizer = (*Reconciler)(nil)
  1. controller 中 代码如下
    # pkg/reconciler/addressableservice/controller.go#

    // 借助 injection 从 context 中获取 informer 
    addressableserviceInformer := addressableserviceinformer.Get(ctx)
    svcInformer := svcinformer.Get(ctx)
     // 实例化  addressableservice 的 Reconciler
    r := &Reconciler{
    	ServiceLister: svcInformer.Lister(),
    }

    // 实例化 controller.impl 返回 供 controller 框架调用
    impl := addressableservicereconciler.NewImpl(ctx, r)
    r.Tracker = tracker.New(impl.EnqueueKey, controller.GetTrackerLease(ctx))
    logger.Info("Setting up event handlers.")
     // 添加 informer 的hander 函数
    addressableserviceInformer.Informer().AddEventHandler(controller.HandleAll(impl.Enqueue))
    svcInformer.Informer().AddEventHandler(controller.HandleAll(
    	// Call the tracker's OnChanged method, but we've seen the objects
    	// coming through this path missing TypeMeta, so ensure it is properly
    	// populated.
    	controller.EnsureTypeMeta(
    		r.Tracker.OnChanged,
    		corev1.SchemeGroupVersion.WithKind("Service"),
    	),
    ))
  • handler 函数

为 informer 添加 函数除了实例中的 Informer().AddEventHandler，还可以 通过 Informer().AddEventHandlerWithResyncPeriod 确保除了 watch 之外，周期性将 CR 全量加入 工作队列中处理。

  • filter 函数

还可以添加如下 filter 函数，过滤进入 工作队列的 资源，(在资源数量巨大时能优化性能)

domainInformer.Informer().AddEventHandlerWithResyncPeriod(cache.FilteringResourceEventHandler{
	FilterFunc: controller.FilterControllerGK(v1beta1.Kind("Function")),
	Handler:    controller.HandleAll(impl.EnqueueControllerOf),
}, ControllerResyncPerion)
// k8s don't allow cross namespace owerreferences, so filter resource with  label
k8ssvcInformer.Informer().AddEventHandlerWithResyncPeriod(cache.FilteringResourceEventHandler{
	FilterFunc: FilterLabelKeyExists(api.FuncNameLabelKey),
	Handler:    controller.HandleAll(impl.EnqueueLabelOfNamespaceScopedResource(api.FuncNameSpaceLabelKey, api.FuncNameLabelKey)),
}, ControllerResyncPerion)

2.6 Reconciler 逻辑编写

参考 sample-controller/pkg/reconciler/addressableservice/addressableservice.go 文件即可，其中注意
status 在 reconciler 中调用 xxx_lifecycle.go 中的 状态设置函数可以，controller 框架会在 reconcile 流程结束后将 CR 资源的状态 通过 kube-apiserver 更新到 etcd 中

# sample-controller/pkg/reconciler/addressableservice/addressableservice.go#76
o.Status.MarkServiceAvailable()
o.Status.Address = &duckv1.Addressable{
	URL: &apis.URL{
		Scheme: "http",
		Host:   network.GetServiceHostname(o.Spec.ServiceName, o.Namespace),
	},
}

2.7 调试

1. 生成 CRD 描述文件 并 apply 到集群

  1. 在 sample-controller/cmd/schema/main.go 中注册，如下：

    func main() {
    	registry.Register(&v1alpha1.AddressableService{})
    	if err := commands.New("knative.dev/sample-controller").Execute(); err != nil {
    		log.Fatal("Error during command execution: ", err)
    	}
    }

  2. 执行命令

go run cmd/schema/main.go dump AddressableService

将生成的 yaml 粘贴到 sample-controller/config/300-addressableservice.yaml 中的
spec.versions.schema.openAPIV3Schema 下

  1. apply crd yaml，在 k8s 集群中执行
kubectl apply -f config/300-addressableservice.yaml
  1. IDE 中 debug

如果是在 mac 中的 IDE 调试，将 k8s 集群中的 config 文件 复制一份，放在 mac 地址的 ~/.kube 目录下,window linux 类似，config 放在用户目录下的 .kube目录下：
为程序添加 环境变量 SYSTEM_NAMESPACE ,主要是用于 controller 选主，不设置会 panic。

接下来，直接 debug sample-controller/cmd/controller/main.go 中的 main 函数即可 !

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