Kubernetes-StatefulSet

StatefulSet 是 Kubernetes 中用于管理有状态应用的核心控制器，它为分布式系统提供了稳定的网络标识、有序部署和持久化存储等关键特性。本文将全面解析 StatefulSet 的设计思想、工作原理、典型应用场景以及生产环境最佳实践，帮助您掌握这一强大的 Kubernetes 资源对象。

StatefulSet 核心概念与设计思想

什么是有状态应用

有状态应用(Stateful Application)是指需要维护客户端状态信息或依赖持久化存储的应用，其特点包括：

实例间不对等：如主从关系、主备关系等拓扑结构
数据持久性：应用实例在本地磁盘保存数据，重启后仍需访问相同数据
稳定标识：需要固定的网络标识(如主机名)来确保服务发现和通信

典型的有状态应用包括数据库(MySQL、PostgreSQL)、消息队列(Kafka、RabbitMQ)和分布式存储系统(Elasticsearch、Cassandra)等

StatefulSet 设计理念

StatefulSet 的设计抽象了真实世界应用状态的两种表现形式：

拓扑状态：应用多个实例之间的启动顺序和网络标识要求
- 主节点A必须先于从节点B启动
- 删除后重建必须保持相同顺序和网络标识
存储状态：应用实例绑定的不同存储数据
- Pod A 第一次读取和十分钟后读取的应该是同一份数据
- 即使Pod被重建，仍需访问原有数据

StatefulSet 核心特性

稳定的网络标识

唯一Pod名称：格式为<statefulset名称>-<序号>(如web-0, web-1)
固定DNS子域名：<pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local
持久IP地址：当底层网络支持时(如使用Headless Service)，Pod IP在重新调度后保持不变

持久化存储

volumeClaimTemplates：为每个Pod动态创建独立的PVC(PersistentVolumeClaim)
生命周期解耦：PVC/PV在Pod删除后保留，新Pod自动绑定原有存储
数据独享：每个Pod有自己专属的数据目录，不与其他Pod共享

有序部署与扩展

顺序创建：按索引递增顺序(0→1→2)部署Pod
逆序删除：缩容时按索引递减顺序(2→1→0)终止Pod
依赖保障：前序Pod进入Running+Ready状态后才创建后续Pod

与Headless Service的强绑定

StatefulSet必须关联一个Headless Service(clusterIP: None)来实现：

直接Pod访问：DNS查询返回Pod IP而非Service VIP
稳定发现机制：为每个Pod提供可解析的DNS记录
拓扑状态维护：通过DNS记录保持Pod网络标识稳定性

必须绑定的 Service 类型

Service引用

yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql  # 这个名称将被StatefulSet引用
  namespace: default
spec:
  clusterIP: None  # 定义为Headless Service(关键配置)
  ports:
  - port: 3306
    name: mysql
  selector:
    app: mysql  # 必须匹配StatefulSet的Pod标签

StatefulSet 引用

yaml

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: "mysql"  # 必须与上述Service的metadata.name一致
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql  # 必须与Service的selector匹配
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql  # 必须与Service的selector匹配
    # ... 其他配置 ...

每个 Pod 提供可解析的 DNS 记录，格式为：

bash

<pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local
# 例如：mysql-0.mysql.default.svc.cluster.local

StatefulSet 与 Deployment 的关键区别

特性	Deployment	StatefulSet
适用场景	无状态应用(Web服务、缓存)	有状态应用(数据库、消息队列)
Pod标识	随机名称，无固定标识	唯一名称(web-0, web-1)
存储	临时存储(Volume可共享)	独立持久化存储(Volume与Pod绑定)
扩缩容顺序	并行创建/删除	顺序创建，逆序删除
网络标识	通过Service负载均衡	稳定的DNS记录(直接访问单个Pod)
更新策略	滚动更新(并行)	有序滚动更新(默认)或手动更新
服务依赖	不需要特殊Service	必须关联Headless Service

StatefulSet 典型应用场景

数据库集群

MySQL/PostgreSQL主从：确保主节点先于从节点启动
MongoDB分片集群：维护分片节点的稳定标识

消息队列系统

Kafka集群：Broker需要持久化存储消息数据
RabbitMQ节点：维护队列和交换机的持久状态

分布式存储系统

Elasticsearch数据节点：保障分片数据的持久性和可发现性
Cassandra环：节点需要稳定的网络标识加入集群

有状态中间件

ZooKeeper集群：维护选举和配置信息
Redis哨兵/集群：需要持久化存储和固定标识

StatefulSet 详细工作机制

Pod标识与DNS解析

StatefulSet控制器为每个Pod分配唯一标识：

命名规则：<statefulset-name>-<ordinal-index>(如redis-0, redis-1)
DNS记录：通过Headless Service暴露的格式为<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local

示例访问方式：

bash

# DNS访问模板
<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local

# 访问示例
redis-0.redis.default.svc.cluster.local  # 访问第一个Pod
redis-1.redis.default.svc.cluster.local  # 访问第二个Pod

持久化存储实现

通过volumeClaimTemplates为每个Pod自动创建PVC：

yaml

volumeClaimTemplates:
- metadata:
    name: data  # 卷名称
  spec:
    accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
    resources:
      requests:
        storage: 10Gi

PVC命名规则为<volumeClaimTemplate名称>-<pod名称>(如data-web-0)

有序调度流程

扩容时：严格按0→1→2顺序创建，等待前序Pod Ready后才继续
缩容时：按2→1→0逆序终止，确保关键节点(如主节点)最后删除
更新时：默认按N-1→0顺序滚动更新(RollingUpdate策略)

与Headless Service协作

Headless Service YAML示例：

yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None  # 定义为Headless Service
  selector:
    app: nginx

StatefulSet 配置详解

完整YAML示例

yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: redis
spec:
  clusterIP: None  # Headless Service
  selector:
    app: redis
  ports:
  - port: 6379
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: redis
spec:
  serviceName: "redis"  # 必须关联Headless Service
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: redis
  template:
    metadata:
      labels:
        app: redis
    spec:
      containers:
      - name: redis
        image: redis:alpine
        ports:
        - containerPort: 6379
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumeClaimTemplates:  # 存储模板
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

关键配置字段

serviceName：必须指定关联的Headless Service名称
volumeClaimTemplates：定义持久卷声明模板，每个Pod自动创建PVC
updateStrategy：更新策略配置
- RollingUpdate：有序滚动更新(默认)
- OnDelete：手动删除Pod触发更新
podManagementPolicy：Pod管理策略
- OrderedReady：默认顺序创建
- Parallel：并行创建(牺牲有序性)

更新策略详解

RollingUpdate策略

yaml

updateStrategy:
  type: RollingUpdate
  rollingUpdate:
    partition: 2  # 只有序号≥2的Pod会被更新
    maxUnavailable: 0  # 不可用Pod最大数量

按N-1→0顺序更新
支持分区更新(partition)，实现金丝雀发布

OnDelete策略

yaml

updateStrategy:
  type: OnDelete  # 需手动删除Pod触发更新

适用于需要特殊维护过程的应用
更新时需要手动介入，适合关键数据服务

StatefulSet 操作指南

创建 StatefulSet

bash

# 从 YAML 文件创建
kubectl apply -f mysql-statefulset.yaml

# 生成模板（带持久化卷声明）
kubectl create sts redis --image=redis:7 --replicas=3 --port=6379 --dry-run=client -o yaml > redis-sts.yaml

查看状态

bash

# 基础查看（显示 READY/AGE 等关键字段）
kubectl get sts [-n <namespace>]

# 扩展信息（显示选择器和服务名称）
kubectl get sts -o wide

# 按副本数排序
kubectl get sts --sort-by=.spec.replicas

# 筛选未就绪的 StatefulSet
kubectl get sts -o jsonpath='{.items[?(@.status.readyReplicas != @.spec.replicas)].metadata.name}'

输出字段解析

字段名称	含义解析
NAME	StatefulSet 名称（遵循 `<statefulset-name>-<ordinal>`命名规则）
READY	当前就绪 Pod 数/期望副本数（格式 `current/desired`）
AGE	创建时长
CONTAINERS	主容器名称
IMAGES	当前使用的镜像版本
SELECTOR	Pod 选择器标签

自定义输出

bash

# 全量信息视图
kubectl get sts -A -o custom-columns=\
"NAME:.metadata.name,\
NAMESPACE:.metadata.namespace,\
READY:.status.readyReplicas+'/'+.spec.replicas,\
REPLICAS:.spec.replicas,\
SERVICE:.spec.serviceName,\
UPDATE_STRATEGY:.spec.updateStrategy.type,\
AGE:.metadata.creationTimestamp"

# 更新状态监控
kubectl get sts -o=custom-columns=\
"NAME:.metadata.name,\
DESIRED:.spec.replicas,\
READY:.status.readyReplicas,\
UPDATED:.status.updatedReplicas,\
REVISION:.status.updateRevision,\
PARTITION:.spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition"

异常状态解读：

UPDATED < DESIRED：滚动更新进行中
PARTITION > 0：分阶段更新卡住

JSONPath字段提取

bash

kubectl get sts -A -o jsonpath='{range .items[*]}{.metadata.namespace}{"\t"}{.metadata.name}{"\t"}{.status.readyReplicas}{"/"}{.spec.replicas}{"\t"}{.spec.serviceName}{"\t"}{.spec.updateStrategy.type}{"\t"}{.metadata.creationTimestamp}{"\n"}{end}' | column -t -N "NAMESPACE,NAME,READY,SERVICE,STRATEGY,AGE"

字段说明：

status.currentRevision：当前控制器版本（用于回滚定位）
spec.template.spec.containers[0].image：主容器镜像版本

滚动更新

bash

# 触发滚动更新（修改镜像版本）
kubectl patch sts web -p '{"spec":{"template":{"spec":{"containers":[{"name":"nginx","image":"nginx:1.25"}]}}}}'

# 查看更新进度
kubectl rollout status sts/web

# 暂停/恢复更新（金丝雀发布场景）
kubectl rollout pause sts/web
kubectl rollout resume sts/web

版本回滚

bash

# 查看历史版本
kubectl rollout history sts/web

# 回滚到指定版本
kubectl rollout undo sts/web --to-revision=2

副本数调整

bash

# 水平扩展（注意 PVC 自动按副本数创建）
kubectl scale sts/redis --replicas=5

# 优雅缩容（需确保有状态应用支持）
kubectl scale sts/redis --replicas=2

生产注意：缩容时会从最高序号的 Pod 开始删除，确保数据已同步。

持久化卷操作

bash

# 查看关联的 PVC（命名规则：<volumeClaimTemplateName>-<stsName>-<ordinal>）
kubectl get pvc -l app=redis

# 强制删除卡住的 PVC（数据会丢失！）
kubectl delete pvc redis-data-redis-2 --force --grace-period=0

存储扩容（需 StorageClass 支持）

bash

# 先修改 PVC 容量
kubectl edit pvc redis-data-redis-0  # 修改 spec.resources.requests.storage

# 再删除 Pod 触发重建（StatefulSet 控制器会自动处理）
kubectl delete pod redis-0

事件和日志分析

bash

# 查看 StatefulSet 事件
kubectl describe sts/redis | grep -A 10 Events

# 检查特定 Pod 日志（例如序号为 0 的 Pod）
kubectl logs redis-0 [-c containerName]

强制重建 Pod（慎用）

bash

# 删除 Pod 但保留 PVC（StatefulSet 会自动重建）
kubectl delete pod redis-0 --grace-period=0 --force

临时进入 Pod 诊断

bash

# 进入指定序号的 Pod（例如调试主节点）
kubectl exec -it redis-0 -- bash

# 检查数据一致性（分布式数据库场景）
kubectl exec redis-0 -- redis-cli INFO replication

资源监控

bash

# 查看资源使用情况（需 metrics-server）
kubectl top pod -l app=redis

故障排查

Pod卡在Pending：
- 检查资源配额和节点资源是否充足
- 验证StorageClass是否可用，PVC是否绑定成功
Pod无法Ready：
- 检查容器日志：kubectl logs <pod-name>
- 验证Readiness Probe配置
DNS解析失败：
- 验证Headless Service是否存在且selector匹配
- 检查CoreDNS是否正常运行
存储访问问题：
- 确认PVC/PV状态：kubectl get pvc,pv
- 检查volumeMounts路径是否正确

Kubernetes-StatefulSet ​

StatefulSet 核心概念与设计思想 ​

什么是有状态应用 ​

StatefulSet 设计理念 ​

StatefulSet 核心特性 ​

稳定的网络标识 ​

持久化存储 ​

有序部署与扩展 ​

与Headless Service的强绑定 ​

必须绑定的 Service 类型 ​

Service引用 ​

StatefulSet 引用 ​

StatefulSet 与 Deployment 的关键区别 ​

StatefulSet 典型应用场景 ​

数据库集群 ​

消息队列系统 ​

分布式存储系统 ​

有状态中间件 ​

StatefulSet 详细工作机制 ​

Pod标识与DNS解析 ​

持久化存储实现 ​

有序调度流程 ​

与Headless Service协作 ​

StatefulSet 配置详解 ​

完整YAML示例 ​

关键配置字段 ​

更新策略详解 ​

RollingUpdate策略 ​

OnDelete策略 ​

StatefulSet 操作指南 ​

创建 StatefulSet ​

查看状态 ​

输出字段解析 ​

自定义输出 ​

JSONPath字段提取 ​

滚动更新 ​

版本回滚 ​

副本数调整 ​

持久化卷操作 ​

存储扩容（需 StorageClass 支持） ​

事件和日志分析 ​

强制重建 Pod（慎用） ​

临时进入 Pod 诊断 ​

资源监控 ​

故障排查 ​

Kubernetes-StatefulSet

StatefulSet 核心概念与设计思想

什么是有状态应用

StatefulSet 设计理念

StatefulSet 核心特性

稳定的网络标识

持久化存储

有序部署与扩展

与Headless Service的强绑定

必须绑定的 Service 类型

Service引用

StatefulSet 引用

StatefulSet 与 Deployment 的关键区别

StatefulSet 典型应用场景

数据库集群

消息队列系统

分布式存储系统

有状态中间件

StatefulSet 详细工作机制

Pod标识与DNS解析

持久化存储实现

有序调度流程

与Headless Service协作

StatefulSet 配置详解

完整YAML示例

关键配置字段

更新策略详解

RollingUpdate策略

OnDelete策略

StatefulSet 操作指南

创建 StatefulSet

查看状态

输出字段解析

自定义输出

JSONPath字段提取

滚动更新

版本回滚

副本数调整

持久化卷操作

存储扩容（需 StorageClass 支持）

事件和日志分析

强制重建 Pod（慎用）

临时进入 Pod 诊断

资源监控

故障排查