K8S三种探针ReadinessProbe、LivenessProbe和StartupProbe之探索

 

事件背景

因为 k8s 中采用大量的异步机制、以及多种对象关系设计上的解耦，当应用实例数 增加/删除、或者应用版本发生变化触发滚动升级时，系统并不能保证应用相关的 service、ingress 配置总是及时能完成刷新。在一些情况下，往往只是新的 Pod 完成自身初始化，系统尚未完成 Endpoint、负载均衡器等外部可达的访问信息刷新，老的 Pod 就立即被删除，最终造成服务短暂的额不可用，这对于生产来说是不可接受的，所以 k8s 就加入了一些存活性探针：StartupProbe、LivenessProbe、ReadinessProbe。

技术探索

POD 状态

Pod 常见的状态

Pending：挂起，我们在请求创建 pod 时，条件不满足，调度没有完成，没有任何一个节点能满足调度条件。已经创建了但是没有适合它运行的节点叫做挂起，这其中也包含集群为容器创建网络，或者下载镜像的过程。

Running：Pod 内所有的容器都已经被创建，且至少一个容器正在处于运行状态、正在启动状态或者重启状态。

Succeeded：Pod 中所以容器都执行成功后退出，并且没有处于重启的容器。

Failed：Pod 中所以容器都已退出，但是至少还有一个容器退出时为失败状态。

Unknown：未知状态，所谓 pod 是什么状态是 apiserver 和运行在 pod 节点的 kubelet 进行通信获取状态信息的，如果节点之上的 kubelet 本身出故障，那么 apiserver 就连不上 kubelet，得不到信息了，就会看 Unknown

Pod 重启策略

Always: 只要容器失效退出就重新启动容器。

OnFailure: 当容器以非正常(异常)退出后才自动重新启动容器。

Never: 无论容器状态如何，都不重新启动容器。

Pod 常见状态转换场景

探针简介

K8S 提供了 3 种探针:

ReadinessProbe

LivenessProbe

StartupProbe（这个 1.16 版本增加的）

探针存在的目的

在 Kubernetes 中 Pod 是最小的计算单元，而一个 Pod 又由多个容器组成，相当于每个容器就是一个应用，应用在运行期间，可能因为某些意外情况致使程序挂掉。那么如何监控这些容器状态稳定性，保证服务在运行期间不会发生问题，发生问题后进行重启等机制，就成为了重中之重的事情，考虑到这点 kubernetes 推出了活性探针机制。有了存活性探针能保证程序在运行中如果挂掉能够自动重启，但是还有个经常遇到的问题，比如说，在 Kubernetes 中启动 Pod，显示明明 Pod 已经启动成功，且能访问里面的端口，但是却返回错误信息。还有就是在执行滚动更新时候，总会出现一段时间，Pod 对外提供网络访问，但是访问却发生 404，这两个原因，都是因为 Pod 已经成功启动，但是 Pod 的的容器中应用程序还在启动中导致，考虑到这点 Kubernetes 推出了就绪性探针机制。

LivenessProbe：存活性探针，用于判断容器是不是健康，如果不满足健康条件，那么 Kubelet 将根据 Pod 中设置的 restartPolicy （重启策略）来判断，Pod 是否要进行重启操作。LivenessProbe 按照配置去探测 ( 进程、或者端口、或者命令执行后是否成功等等)，来判断容器是不是正常。如果探测不到，代表容器不健康（可以配置连续多少次失败才记为不健康），则 kubelet 会杀掉该容器，并根据容器的重启策略做相应的处理。如果未配置存活探针，则默认容器启动为通过（Success）状态。即探针返回的值永远是 Success。即 Success 后 pod 状态是 RUNING

ReadinessProbe：就绪性探针，用于判断容器内的程序是否存活（或者说是否健康），只有程序(服务)正常， 容器开始对外提供网络访问（启动完成并就绪）。容器启动后按照 ReadinessProbe 配置进行探测，无问题后结果为成功即状态为 Success。pod 的 READY 状态为 true，从 0/1 变为 1/1。如果失败继续为 0/1，状态为 false。若未配置就绪探针，则默认状态容器启动后为 Success。对于此 pod、此 pod 关联的 Service 资源、EndPoint 的关系也将基于 Pod 的 Ready 状态进行设置，如果 Pod 运行过程中 Ready 状态变为 false，则系统自动从 Service 资源 关联的 EndPoint 列表中去除此 pod，届时 service 资源接收到 GET 请求后，kube-proxy 将一定不会把流量引入此 pod 中，通过这种机制就能防止将流量转发到不可用的 Pod 上。如果 Pod 恢复为 Ready 状态。将再会被加回 Endpoint 列表。kube-proxy 也将有概率通过负载机制会引入流量到此 pod 中。

StartupProbe: StartupProbe 探针，主要解决在复杂的程序中 ReadinessProbe、LivenessProbe 探针无法更好地判断程序是否启动、是否存活。进而引入 StartupProbe 探针为 ReadinessProbe、LivenessProbe 探针服务。

(★)ReadinessProbe 与 LivenessProbe 的区别

ReadinessProbe 当检测失败后，将 Pod 的 IP:Port 从对应的 EndPoint 列表中删除。

ivenessProbe 当检测失败后，将杀死容器并根据 Pod 的重启策略来决定作出对应的措施。

(★) StartupProbe 与 ReadinessProbe、LivenessProbe 的区别

如果三个探针同时存在，先执行 StartupProbe 探针，其他两个探针将会被暂时禁用，直到 pod 满足 StartupProbe 探针配置的条件，其他 2 个探针启动，如果不满足按照规则重启容器。另外两种探针在容器启动后，会按照配置，直到容器消亡才停止探测，而 StartupProbe 探针只是在容器启动后按照配置满足一次后，不再进行后续的探测。

正确的 ReadinessProbe 与 LivenessProbe 使用方式

LivenessProbe 和 ReadinessProbe 两种探针都支持下面三种探测方法：

ExecAction：在容器中执行指定的命令，如果执行成功，退出码为 0 则探测成功。

HTTPGetAction：通过容器的 IP 地址、端口号及路径调用 HTTP Get 方法，如果响应的状态码大于等于 - 200 且小于 400，则认为容器健康。

TCPSocketAction：通过容器的 IP 地址和端口号执行 TCP 检 查，如果能够建立 TCP 连接，则表明容器健康。

探针探测结果有以下值：

Success：表示通过检测。

Failure：表示未通过检测。

Unknown：表示检测没有正常进行。

LivenessProbe 和 ReadinessProbe 两种探针的相关属性 探针(Probe)有许多可选字段，可以用来更加精确的控制 Liveness 和 Readiness 两种探针的行为(Probe)：

initialDelaySeconds：容器启动后要等待多少秒后就探针开始工作，单位“秒”，默认是 0 秒，最小值是 0

periodSeconds：执行探测的时间间隔（单位是秒），默认为 10s，单位“秒”，最小值是 1

timeoutSeconds：探针执行检测请求后，等待响应的超时时间，默认为 1s，单位“秒”，最小值是 1

successThreshold：探针检测失败后认为成功的最小连接成功次数，默认为 1s，在 Liveness 探针中必须为 1s，最小值为 1s。

failureThreshold：探测失败的重试次数，重试一定次数后将认为失败，在 readiness 探针中，Pod 会被标记为未就绪，默认为 3s，最小值为 1s

Tips：initialDelaySeconds 在 ReadinessProbe 其实可以不用配置，不配置默认 pod 刚启动，开始进行 ReadinessProbe 探测，但那又怎么样，除了 StartupProbe，ReadinessProbe、LivenessProbe 运行在 pod 的整个生命周期，刚启动的时候 ReadinessProbe 检测失败了，只不过显示 READY 状态一直是 0/1，ReadinessProbe 失败并不会导致重启 pod，只有 StartupProbe、LivenessProbe 失败才会重启 pod。而等到多少 s 后，真正服务启动后，检查 success 成功后，READY 状态自然正常

正确的 StartupProbe 使用方式

StartupProbe 探针支持下面三种探测方法：

ExecAction：在容器中执行指定的命令，如果执行成功，退出码为 0 则探测成功。

HTTPGetAction：通过容器的 IP 地址、端口号及路径调用 HTTP Get 方法，如果响应的状态码大于等于 200 且小于 400，则认为容器 健康。

TCPSocketAction：通过容器的 IP 地址和端口号执行 TCP 检 查，如果能够建立 TCP 连接，则表明容器健康。

探针探测结果有以下值：

Success：表示通过检测。

Failure：表示未通过检测。

Unknown：表示检测没有正常进行。

StartupProbe 探针属性

initialDelaySeconds：容器启动后要等待多少秒后就探针开始工作，单位“秒”，默认是 0 秒，最小值是 0

periodSeconds：执行探测的时间间隔（单位是秒），默认为 10s，单位“秒”，最小值是 1

timeoutSeconds：探针执行检测请求后，等待响应的超时时间，默认为 1s，单位“秒”，最小值是 1

successThreshold：探针检测失败后认为成功的最小连接成功次数，默认为 1s，在 Liveness 探针中必须为 1s，最小值为 1s。

failureThreshold：探测失败的重试次数，重试一定次数后将认为失败，在 readiness 探针中，Pod 会被标记为未就绪，默认为 3s，最小值为 1s

Tips：在 StartupProbe 执行完之后，其他 2 种探针的所有配置才全部启动，相当于容器刚启动的时候，所以其他 2 种探针如果配置了 initialDelaySeconds，建议不要给太长。

使用举例

LivenessProbe 探针使用示例

通过 exec 方式做健康探测

 

[root@localhost ~]# vim liveness-exec.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: liveness-exec
    labels:
        app: liveness
spec:
    containers:
        - name: liveness
          image: busybox
          args: #创建测试探针探测的文件
              - /bin/sh
              - -c
              - touch /tmp/healthy; sleep 30; rm -rf /tmp/healthy; sleep 600
          LivenessProbe:
              initialDelaySeconds: 10 #延迟检测时间
              periodSeconds: 5 #检测时间间隔
              exec: #使用命令检查
                  command: #指令，类似于运行命令sh
                      - cat #sh 后的第一个内容，直到需要输入空格，变成下一行
                      - /tmp/healthy #由于不能输入空格，需要另外声明，结果为sh cat"空格"/tmp/healthy

 

思路整理： 

容器在初始化后，执行（/bin/sh -c "touch /tmp/healthy; sleep 30; rm -rf /tmp/healthy; sleep 600"）首先创建一个 /tmp/healthy 文件，然后执行睡眠命令，睡眠 30 秒，到时间后执行删除 /tmp/healthy 文件命令。而设置的存活探针检检测方式为执行 shell 命令，用 cat 命令输出 healthy 文件的内容，如果能成功执行这条命令一次(默认 successThreshold:1)，存活探针就认为探测成功，由于没有配置(failureThreshold、timeoutSeconds)，所以执行（cat /tmp/healthy）并只等待 1s，如果 1s 内执行后返回失败，探测失败。在前 30 秒内，由于文件存在，所以存活探针探测时执行 cat /tmp/healthy 命令成功执行。30 秒后 healthy 文件被删除，所以执行命令失败，Kubernetes 会根据 Pod 设置的重启策略来判断，是否重启 Pod。

通过 HTTP 方式做健康探测

 

[root@localhost ~]# vi liveness-http.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: liveness-http
    labels:
        test: liveness
spec:
    containers:
        - name: liveness
          image: test.com/test-http-prober:v0.0.1
          LivenessProbe:
              failureThreshold: 5 #检测失败5次表示未就绪
              initialDelaySeconds: 20 #延迟加载时间
              periodSeconds: 10 #重试时间间隔
              timeoutSeconds: 5 #超时时间设置
              successThreshold: 2 #检查成功为2次表示就绪
              httpGet:
                  scheme: HTTP
                  port: 8081
                  path: /ping

 

思路整理：在 pod 启动后，初始化等待 20s 后，LivenessProbe 开始工作，去请求 http://Pod_IP:8081/ping 接口，类似于 curl -I http://Pod_IP:8081/ping 接口,考虑到请求会有延迟(curl -I 后一直出现假死状态)，所以给这次请求操作一直持续 5s，如果 5s 内访问返回数值在>=200 且<=400 代表第一次检测 success，如果是其他的数值，或者 5s 后还是假死状态，执行类似（ctrl+c）中断，并反回 failure 失败。等待 10s 后，再一次地去请求 http://Pod_IP:8081/ping 接口。如果有连续的 2 次都是 success，代表无问题。如果期间有连续的 5 次都是 failure，代表有问题，直接重启 pod，此操作会伴随 pod 的整个生命周期。Tips Http Get 探测方式有如下可选的控制字段:

scheme: 用于连接 host 的协议，默认为 HTTP。host：要连接的主机名，默认为 Pod IP，可以在 Http Request headers 中设置 host 头部。port：容器上要访问端口号或名称。path：http 服务器上的访问 URI。httpHeaders：自定义 HTTP 请求 headers，HTTP 允许重复 headers。

通过 TCP 方式做健康探测

 

[root@localhost ~]# vi liveness-tcp.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: liveness-tcp
    labels:
        app: liveness
spec:
    containers:
        - name: liveness
          image: nginx
          LivenessProbe:
              initialDelaySeconds: 15
              periodSeconds: 20
              tcpSocket:
                  port: 80

 

思路整理：TCP 检查方式和 HTTP 检查方式非常相似，在容器启动 initialDelaySeconds 参数设定的时间后，kubelet 将发送第一个 LivenessProbe 探针，尝试连接容器的 80 端口，类似于 telnet 80 端口。每隔 20 秒(periodSeconds)做探测，如果连接失败则将杀死 Pod 重启容器。

ReadinessProbe 探针使用示例

ReadinessProbe 探针使用方式和 LivenessProbe 探针探测方法一样，也是支持三种，只是一个是用于探测应用的存活，一个是判断是否对外提供流量的条件。

 

[root@localhost ~]# vim readiness-exec.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: readiness-exec
    labels:
        app: readiness-exec
spec:
    containers:
        - name: readiness-exec
          image: busybox
          args: #创建测试探针探测的文件
              - /bin/sh
              - -c
              - touch /tmp/healthy; sleep 30; rm -rf /tmp/healthy; sleep 600
          LivenessProbe:
              initialDelaySeconds: 10
              periodSeconds: 5
              exec:
                  command:
                      - cat
                      - /tmp/healthy
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: readiness-http
    labels:
        app: readiness-http
spec:
    containers:
        - name: readiness-http
          image: test.com/test-http-prober:v0.0.1
          ports:
              - name: server
                containerPort: 8080
              - name: management
                containerPort: 8081
          ReadinessProbe:
              initialDelaySeconds: 20
              periodSeconds: 5
              timeoutSeconds: 10
              httpGet:
                  scheme: HTTP
                  port: 8081
                  path: /ping
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: readiness-tcp
    labels:
        app: readiness-tcp
spec:
    containers:
        - name: readiness-tcp
          image: nginx
          LivenessProbe:
              initialDelaySeconds: 15
              periodSeconds: 20
              tcpSocket:
                  port: 80

 

这里说说 terminationGracePeriodSeconds

terminationGracePeriodSeconds 这个参数非常的重要，具体讲解。请参考我的另外一篇文章《详细解读 Kubernetes 中 Pod 优雅退出，帮你解决大问题》, 里面有详细的解释，我这里说下其他的内容。 

Tips: terminationGracePeriodSeconds 不能用于 ReadinessProbe，如果将它应用于 ReadinessProbe 将会被 apiserver 接口所拒绝

 

LivenessProbe:
    httpGet:
        path: /ping
        port: liveness-port
    failureThreshold: 1
    periodSeconds: 30
    terminationGracePeriodSeconds: 30 # 宽限时间30s

 

StartupProbe 探针使用示例

 

[root@localhost ~]# vim startup.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: startup
    labels:
        app: startup
spec:
    containers:
        - name: startup
          image: nginx
          StartupProbe:
              failureThreshold: 3 # 失败阈值，连续几次失败才算真失败
              initialDelaySeconds: 5 # 指定的这个秒以后才执行探测
              timeoutSeconds: 10 # 探测超时，到了超时时间探测还没返回结果说明失败
              periodSeconds: 5 # 每隔几秒来运行这个
              httpGet:
                  path: /test
                  prot: 80

 

思路整理：在容器启动 initialDelaySeconds (5 秒) 参数设定的时间后，kubelet 将发送第一个 StartupProbe 探针，尝试连接容器的 80 端口。如果连续探测失败没有超过 3 次 (failureThreshold) ，且每次探测间隔为 5 秒 (periodSeconds) 和探测执行时间不超过超时时间 10 秒/每次 (timeoutSeconds)，则认为探测成功，反之探测失败，kubelet 直接杀死 Pod。

总结

通过对三种探针的探索，我们能够得到一句话的总结：理解底层结构，能够最大程度在可用性、安全性，持续性等方面让 Pod 达到最佳工作状态。凡事没有“银弹”，尤其对重要的业务需要一个案例一个解决方案，希望这次的分析能提供给大家开启一个思路之门。

　　审核编辑：汤梓红