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K8s 系列 | 第 10 天：StatefulSet：有状态应用的部署与管理

第 10/30 天

引言

在前面的文章中，我们学习了 Deployment 和 ReplicaSet 如何管理无状态应用——这些 Pod 可以随时被销毁、重建、迁移，像极了”一次性筷子”。然而，现实世界中有大量有状态应用：数据库（MySQL、PostgreSQL、Redis）、消息队列（Kafka、RabbitMQ）、分布式存储（Cassandra、Elasticsearch）等。这些应用要求：

每个 Pod 实例有稳定的网络标识（即使重启也不变）
每个 Pod 绑定独立的持久化存储
Pod 按顺序启动、更新、销毁

Kubernetes 为此提供了 StatefulSet 控制器。今天，我们就来深入探讨 StatefulSet 的工作原理、核心特性与实战部署。

核心概念

StatefulSet vs Deployment

特性	Deployment	StatefulSet
Pod 标识	随机名称（如 `app-5d7f8c9b6-x3k2p`）	有序名称（如 `web-0`, `web-1`, `web-2`）
存储	共享卷或临时卷	每个 Pod 绑定独立 PVC
启停顺序	无序并行	顺序启停（0→1→2，2→1→0）
网络标识	Pod IP（不稳定）	稳定 DNS 名称（如 `web-0.svc.ns.svc.cluster.local`）
适用场景	无状态应用	有状态应用

核心特性详解

有序、优雅的部署与扩缩
创建时从 0 到 N-1 依次启动
缩容时从 N-1 到 0 依次终止
每个 Pod 的 READY 状态确认后才启动下一个
稳定的网络标识
每个 Pod 名称固定：<statefulset-name>-<ordinal>
配合 Headless Service（ClusterIP: None）实现稳定的 DNS 解析
Pod 重启后 IP 可能变，但 DNS 名称不变
稳定的持久化存储
基于 volumeClaimTemplates 自动创建 PVC
每个 Pod 绑定专属 PV，Pod 重建后挂载同一存储
Pod 删除不会清除 PVC，确保数据安全

Pod 名称模式

当创建一个名为 mysql、副本数为 3 的 StatefulSet 时：

Pod 名称：mysql-0, mysql-1, mysql-2
DNS：mysql-0.mysql.default.svc.cluster.local
PVC 名称：data-mysql-0, data-mysql-1, data-mysql-2

实战步骤

1. 部署 Headless Service

StatefulSet 必须配合 Headless Service 使用，为每个 Pod 提供稳定的 DNS 入口。

# headless-svc.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - port: 3306
    name: mysql
  clusterIP: None       # Headless Service 关键字段
  selector:
    app: mysql

2. 创建 StatefulSet

下面部署一个 MySQL 主从架构的 StatefulSet：

# statefulset-mysql.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql          # 关联 Headless Service
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:8.0
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: root-password
        - name: MYSQL_REPLICATION_USER
          value: "repl_user"
        - name: MYSQL_REPLICATION_PASSWORD
          value: "repl_password"
        ports:
        - containerPort: 3306
          name: mysql
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
        readinessProbe:
          exec:
            command:
            - mysqladmin
            - ping
          initialDelaySeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
  volumeClaimTemplates:       # 自动为每个 Pod 创建 PVC
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: standard   # 使用默认 StorageClass（前文第9天内容）
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

3. 创建 Secret（用于 MySQL 密码）

# mysql-secret.yaml
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: mysql-secret
type: Opaque
data:
  root-password: cHJvZDJkYjIwMjY=      # base64 编码的密码

4. 部署并验证

# 1. 创建命名空间（可选）
kubectl create namespace database

# 2. 部署 Secret
kubectl apply -f mysql-secret.yaml -n database

# 3. 部署 Headless Service
kubectl apply -f headless-svc.yaml -n database

# 4. 部署 StatefulSet
kubectl apply -f statefulset-mysql.yaml -n database

# 5. 观察 Pod 有序创建（逐个启动）
kubectl get pods -n database -w

预期输出顺序如下：

mysql-0   0/1   Pending   0     0s
mysql-0   0/1   Pending   0     2s
mysql-0   0/1   ContainerCreating   0     2s
mysql-0   1/1   Running   0     30s
mysql-1   0/1   Pending   0     1s      ← 等待 mysql-0 Ready 后才启动
mysql-1   0/1   ContainerCreating   0     2s
mysql-1   1/1   Running   0     35s
mysql-2   0/1   Pending   0     1s      ← 等待 mysql-1 Ready 后才启动
mysql-2   0/1   ContainerCreating   0     2s
mysql-2   1/1   Running   0     40s

5. 验证稳定网络标识

# 进入一个临时 Pod 测试 DNS 解析
kubectl run -it --rm dns-test --image=busybox:1.28 -- sh

# 在容器内执行
nslookup mysql-0.mysql.database.svc.cluster.local
# 输出: Name: mysql-0.mysql.database.svc.cluster.local
#       Address: 10.244.1.10

nslookup mysql-1.mysql.database.svc.cluster.local
# 输出: Name: mysql-1.mysql.database.svc.cluster.local
#       Address: 10.244.2.11

即使 Pod 被删除重建，DNS 名称保持不变，新的 Pod 会以相同的序号重新接管。

6. 扩缩容操作

# 扩容到 5 个副本
kubectl scale statefulset mysql --replicas=5 -n database
# 观察：mysql-3 启动 → mysql-4 启动（有序扩展）

# 缩容到 2 个副本
kubectl scale statefulset mysql --replicas=2 -n database
# 观察：mysql-4 终止 → mysql-3 终止 → mysql-2 终止（从高序号到低序号）

7. 滚动更新

# 更新策略：滚动更新 + 分区更新
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      partition: 2        # 只更新序号 >= 2 的 Pod

# 触发滚动更新（修改 image 标签）
kubectl set image statefulset/mysql mysql=mysql:8.0.35 -n database

# 查看更新状态
kubectl rollout status statefulset/mysql -n database

常见问题

Q1：StatefulSet 删除后数据会丢失吗？

不会。 StatefulSet 删除时不会自动删除关联的 PVC。需要手动清理：

# 先删除 StatefulSet
kubectl delete statefulset mysql -n database

# 手动删除 PVC（确认数据不需要后）
kubectl delete pvc -l app=mysql -n database

Q2：如何实现 MySQL 主从自动配置？

可以在 StatefulSet 的 Pod 中通过 $HOSTNAME 环境变量判断角色：

# mysql-0 作为主库
if [[ "$HOSTNAME" == "mysql-0" ]]; then
  # 配置为主节点
  mysql -e "CREATE USER 'repl_user'@'%' IDENTIFIED BY 'password';"
  mysql -e "GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'repl_user'@'%';"
else
  # 配置为从节点
  MASTER_HOST="mysql-0.mysql.database.svc.cluster.local"
  mysql -e "CHANGE MASTER TO MASTER_HOST='${MASTER_HOST}', ..."
  mysql -e "START SLAVE;"
fi

Q3：StatefulSet 支持并行启动吗？

支持。设置 podManagementPolicy: Parallel 可以让所有 Pod 同时启动，适用于不需要严格顺序的场景（如 Cassandra、Elasticsearch）：

spec:
  podManagementPolicy: Parallel
  serviceName: elasticsearch
  replicas: 3

Q4：StorageClass 不可用怎么办？

确保集群中有可用的 StorageClass。如果使用本地存储或特定云平台，需要先配置：

# 查看当前 StorageClass
kubectl get sc

# 不存在时可以使用 local-path-provisioner（K3s 自带）
# 或参考第 9 天内容配置 NFS/Rook Ceph 等

总结

StatefulSet 是 Kubernetes 中管理有状态应用的核心控制器，它的三大基石——稳定的 Pod 标识、独立的持久化存储、有序的部署与销毁——让数据库、消息队列等有状态工作负载能够自信地在 K8s 上运行。

关键点	说明
Headless Service	必须配合 StatefulSet，提供稳定 DNS
volumeClaimTemplates	自动为每个 Pod 创建独立 PVC
Pod 命名规则	`<sts-name>-<ordinal>`，从 0 开始
有序策略	默认 `OrderedReady`，可改为 `Parallel`
更新策略	支持分区更新、回滚、金丝雀发布

一句话记住：无状态用 Deployment，有状态用 StatefulSet——这是 K8s 工作负载设计的第一原则。

下期预告

第 11 天我们将学习 Ingress 与 Ingress Controller——如何将集群外部的流量优雅地路由到内部 Service，实现域名绑定、TLS 终结和路径转发，打通用户到应用的”最后一公里”。

系列目录：
– 第 1 天：Kubernetes 是什么？核心概念与架构全景解析
– 第 2 天：手把手搭建你的第一个 K8s 集群（kubeadm 实战）
– 第 3 天：Pod 详解：K8s 最小的调度单元与生命周期管理
– 第 4 天：Deployment 与 ReplicaSet：声明式应用管理
– 第 5 天：Service 与网络基础：ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 详解
– 第 6 天：Namespace 与资源配额：多租户隔离基础
– 第 7 天：ConfigMap 与 Secret：配置管理最佳实践
– 第 8 天：Volume 与 PersistentVolume：存储抽象层的核心机制
– 第 9 天：StorageClass 与动态存储供给实战
– 第 10 天：StatefulSet：有状态应用的部署与管理（本篇）
– 第 11 天：Ingress 与 Ingress Controller：外部流量接入全攻略
– … 持续更新中 …

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THE END