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kube-scheduler 源码分析

2020-06-10 11:36:05 admin 4408

### kube-scheduler 的设计

Kube-scheduler 是 kubernetes 的核心组件之一，也是所有核心组件之间功能比较单一的，其代码也相对容易理解。kube-
scheduler 的目的就是为每一个 pod 选择一个合适的 node，整体流程可以概括为三步，获取未调度的 podList，通过执行一系列调度算法为
pod 选择一个合适的 node，提交数据到 apiserver，其核心则是一系列调度算法的设计与执行。

官方对 kube-scheduler 的调度流程描述 [The Kubernetes
Scheduler](https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fkubernetes%2Fcommunity%2Fblob%2Fmaster%2Fcontributors%2Fdevel%2Fsig-
scheduling%2Fscheduler.md)：

For given pod:
    
        +---------------------------------------------+
        |               Schedulable nodes:            |
        |                                             |
        | +--------+    +--------+      +--------+    |
        | | node 1 |    | node 2 |      | node 3 |    |
        | +--------+    +--------+      +--------+    |
        |                                             |
        +-------------------+-------------------------+
                            |
                            |
                            v
        +-------------------+-------------------------+
    
        Pred. filters: node 3 doesn't have enough resource
    
        +-------------------+-------------------------+
                            |
                            |
                            v
        +-------------------+-------------------------+
        |             remaining nodes:                |
        |   +--------+                 +--------+     |
        |   | node 1 |                 | node 2 |     |
        |   +--------+                 +--------+     |
        |                                             |
        +-------------------+-------------------------+
                            |
                            |
                            v
        +-------------------+-------------------------+
    
        Priority function:    node 1: p=2
                              node 2: p=5
    
        +-------------------+-------------------------+
                            |
                            |
                            v
                select max{node priority} = node 2

kube-scheduler 目前包含两部分调度算法 predicates 和 priorities，首先执行 predicates 算法过滤部分 node
然后执行 priorities 算法为所有 node 打分，最后从所有 node 中选出分数最高的最为最佳的 node。

### kube-scheduler 源码分析

> kubernetes 版本: v1.16

kubernetes 中所有组件的启动流程都是类似的，首先会解析命令行参数、添加默认值，kube-scheduler 的默认参数在
`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/apis/config/v1alpha1/defaults.go` 中定义的。然后会执行
run 方法启动主逻辑，下面直接看 kube-scheduler 的主逻辑 run 方法执行过程。

`Run()` 方法主要做了以下工作：

* 初始化 scheduler 对象
  * 启动 kube-scheduler server，kube-scheduler 监听 10251 和 10259 端口，10251 端口不需要认证，可以获取 healthz metrics 等信息，10259 为安全端口，需要认证
  * 启动所有的 informer
  * 执行 `sched.Run()` 方法，执行主调度逻辑

`k8s.io/kubernetes/cmd/kube-scheduler/app/server.go:160`

func Run(cc schedulerserverconfig.CompletedConfig, stopCh <-chan struct{}, registryOptions ...Option) error {
        ......
        // 1、初始化 scheduler 对象
        sched, err := scheduler.New(......）
        if err != nil {
            return err
        }
    
        // 2、启动事件广播
        if cc.Broadcaster != nil && cc.EventClient != nil {
            cc.Broadcaster.StartRecordingToSink(stopCh)
        }
        if cc.LeaderElectionBroadcaster != nil && cc.CoreEventClient != nil {
            cc.LeaderElectionBroadcaster.StartRecordingToSink(&corev1.EventSinkImpl{Interface: cc.CoreEventClient.Events("")})
        }
    
        ......
        // 3、启动 http server
        if cc.InsecureServing != nil {
            separateMetrics := cc.InsecureMetricsServing != nil
            handler := buildHandlerChain(newHealthzHandler(&cc.ComponentConfig, separateMetrics, checks...), nil, nil)
            if err := cc.InsecureServing.Serve(handler, 0, stopCh); err != nil {
                return fmt.Errorf("failed to start healthz server: %v", err)
            }
        }
        ......
        // 4、启动所有 informer
        go cc.PodInformer.Informer().Run(stopCh)
        cc.InformerFactory.Start(stopCh)
    
        cc.InformerFactory.WaitForCacheSync(stopCh)
    
        run := func(ctx context.Context) {
            sched.Run()
            <-ctx.Done()
        }
    
        ctx, cancel := context.WithCancel(context.TODO()) // TODO once Run() accepts a context, it should be used here
        defer cancel()
        go func() {
            select {
            case <-stopCh:
                cancel()
            case <-ctx.Done():
            }
        }()
    
        // 5、选举 leader
        if cc.LeaderElection != nil {
            ......
        }
        // 6、执行 sched.Run() 方法
        run(ctx)
        return fmt.Errorf("finished without leader elect")
    }

下面看一下 `scheduler.New()` 方法是如何初始化 scheduler 结构体的，该方法主要的功能是初始化默认的调度算法以及默认的调度器
GenericScheduler。

* 创建 scheduler 配置文件
  * 根据默认的 DefaultProvider 初始化 schedulerAlgorithmSource 然后加载默认的预选及优选算法，然后初始化 GenericScheduler
  * 若启动参数提供了 policy config 则使用其覆盖默认的预选及优选算法并初始化 GenericScheduler，不过该参数现已被弃用

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/scheduler.go:166`

func New(......) (*Scheduler, error) {
        ......
        // 1、创建 scheduler 的配置文件
        configurator := factory.NewConfigFactory(&factory.ConfigFactoryArgs{
            ......
        })
        var config *factory.Config
        source := schedulerAlgorithmSource
        // 2、加载默认的调度算法
        switch {
        case source.Provider != nil:
            // 使用默认的 ”DefaultProvider“ 初始化 config
            sc, err := configurator.CreateFromProvider(*source.Provider)
            if err != nil {
                return nil, fmt.Errorf("couldn't create scheduler using provider %q: %v", *source.Provider, err)
            }
            config = sc
        case source.Policy != nil:
            // 通过启动时指定的 policy source 加载 config
            ......
            config = sc
        default:
            return nil, fmt.Errorf("unsupported algorithm source: %v", source)
        }
        // Additional tweaks to the config produced by the configurator.
        config.Recorder = recorder
        config.DisablePreemption = options.disablePreemption
        config.StopEverything = stopCh
    
        // 3.创建 scheduler 对象
        sched := NewFromConfig(config)
        ......
        return sched, nil
    }

下面是 pod informer 的启动逻辑，只监听 status.phase 不为 succeeded 以及 failed 状态的 pod，即非
terminating 的 pod。

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/factory/factory.go:527`

func NewPodInformer(client clientset.Interface, resyncPeriod time.Duration) coreinformers.PodInformer {
        selector := fields.ParseSelectorOrDie(
            "status.phase!=" + string(v1.PodSucceeded) +
                ",status.phase!=" + string(v1.PodFailed))
        lw := cache.NewListWatchFromClient(client.CoreV1().RESTClient(), string(v1.ResourcePods), metav1.NamespaceAll, selector)
        return &podInformer{
            informer: cache.NewSharedIndexInformer(lw, &v1.Pod{}, resyncPeriod, cache.Indexers{cache.NamespaceIndex: cache.MetaNamespaceIndexFunc}),
        }
    }

然后继续看 `Run()` 方法中最后执行的 `sched.Run()` 调度循环逻辑，若 informer 中的 cache
同步完成后会启动一个循环逻辑执行 `sched.scheduleOne` 方法。

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/scheduler.go:313`

func (sched *Scheduler) Run() {
        if !sched.config.WaitForCacheSync() {
            return
        }
    
        go wait.Until(sched.scheduleOne, 0, sched.config.StopEverything)
    }

`scheduleOne()` 每次对一个 pod 进行调度，主要有以下步骤：

* 从 scheduler 调度队列中取出一个 pod，如果该 pod 处于删除状态则跳过
  * 执行调度逻辑 `sched.schedule()` 返回通过预算及优选算法过滤后选出的最佳 node
  * 如果过滤算法没有选出合适的 node，则返回 core.FitError
  * 若没有合适的 node 会判断是否启用了抢占策略，若启用了则执行抢占机制
  * 判断是否需要 VolumeScheduling 特性
  * 执行 reserve plugin
  * pod 对应的 spec.NodeName 写上 scheduler 最终选择的 node，更新 scheduler cache
  * 请求 apiserver 异步处理最终的绑定操作，写入到 etcd
  * 执行 permit plugin
  * 执行 prebind plugin
  * 执行 postbind plugin

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/scheduler.go:515`

func (sched *Scheduler) scheduleOne() {
        fwk := sched.Framework
    
        pod := sched.NextPod()
        if pod == nil {
            return
        }
        // 1.判断 pod 是否处于删除状态
        if pod.DeletionTimestamp != nil {
            ......
        }
    
        // 2.执行调度策略选择 node
        start := time.Now()
        pluginContext := framework.NewPluginContext()
        scheduleResult, err := sched.schedule(pod, pluginContext)
        if err != nil {
            if fitError, ok := err.(*core.FitError); ok {
                // 3.若启用抢占机制则执行
                if sched.DisablePreemption {
                    ......
                } else {
                    preemptionStartTime := time.Now()
                    sched.preempt(pluginContext, fwk, pod, fitError)
                    ......
                }
                ......
                metrics.PodScheduleFailures.Inc()
            } else {
                klog.Errorf("error selecting node for pod: %v", err)
                metrics.PodScheduleErrors.Inc()
            }
            return
        }
        ......
        assumedPod := pod.DeepCopy()
    
        // 4.判断是否需要 VolumeScheduling 特性
        allBound, err := sched.assumeVolumes(assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
        if err != nil {
            klog.Errorf("error assuming volumes: %v", err)
            metrics.PodScheduleErrors.Inc()
            return
        }
    
        // 5.执行 "reserve" plugins
        if sts := fwk.RunReservePlugins(pluginContext, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost); !sts.IsSuccess() {
            .....
        }
    
        // 6.为 pod 设置 NodeName 字段，更新 scheduler 缓存
        err = sched.assume(assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
        if err != nil {
            ......
        }
    
        // 7.异步请求 apiserver
        go func() {
            // Bind volumes first before Pod
            if !allBound {
                err := sched.bindVolumes(assumedPod)
                if err != nil {
                    ......
                    return
                }
            }
    
            // 8.执行 "permit" plugins
            permitStatus := fwk.RunPermitPlugins(pluginContext, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
            if !permitStatus.IsSuccess() {
                ......
            }
            // 9.执行 "prebind" plugins
            preBindStatus := fwk.RunPreBindPlugins(pluginContext, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
            if !preBindStatus.IsSuccess() {
                ......
            }
            err := sched.bind(assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost, pluginContext)
            ......
            if err != nil {
                ......
            } else {
                ......
                // 10.执行 "postbind" plugins
                fwk.RunPostBindPlugins(pluginContext, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
            }
        }()
    }

`scheduleOne()` 中通过调用 `sched.schedule()` 来执行预选与优选算法处理：

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/scheduler.go:337`

func (sched *Scheduler) schedule(pod *v1.Pod, pluginContext *framework.PluginContext) (core.ScheduleResult, error) {
        result, err := sched.Algorithm.Schedule(pod, pluginContext)
        if err != nil {
            ......
        }
        return result, err
    }

`sched.Algorithm` 是一个 interface，主要包含四个方法，GenericScheduler 是其具体的实现：

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/core/generic_scheduler.go:131`

type ScheduleAlgorithm interface {
        Schedule(*v1.Pod, *framework.PluginContext) (scheduleResult ScheduleResult, err error)
        Preempt(*framework.PluginContext, *v1.Pod, error) (selectedNode *v1.Node, preemptedPods []*v1.Pod, cleanupNominatedPods []*v1.Pod, err error)
        Predicates() map[string]predicates.FitPredicate
        Prioritizers() []priorities.PriorityConfig
    }

* `Schedule()`：正常调度逻辑，包含预算与优选算法的执行
  * `Preempt()`：抢占策略，在 pod 调度发生失败的时候尝试抢占低优先级的 pod，函数返回发生抢占的 node，被 抢占的 pods 列表，nominated node name 需要被移除的 pods 列表以及 error
  * `Predicates()`：predicates 算法列表
  * `Prioritizers()`：prioritizers 算法列表

kube-scheduler 提供的默认调度为 DefaultProvider，DefaultProvider 配置的 predicates 和
priorities policies 在
`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/algorithmprovider/defaults/defaults.go`
中定义，算法具体实现是在 `k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/algorithm/predicates/`
和`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/algorithm/priorities/` 中，默认的算法如下所示：

`pkg/scheduler/algorithmprovider/defaults/defaults.go`

func defaultPredicates() sets.String {
        return sets.NewString(
            predicates.NoVolumeZoneConflictPred,
            predicates.MaxEBSVolumeCountPred,
            predicates.MaxGCEPDVolumeCountPred,
            predicates.MaxAzureDiskVolumeCountPred,
            predicates.MaxCSIVolumeCountPred,
            predicates.MatchInterPodAffinityPred,
            predicates.NoDiskConflictPred,
            predicates.GeneralPred,
            predicates.CheckNodeMemoryPressurePred,
            predicates.CheckNodeDiskPressurePred,
            predicates.CheckNodePIDPressurePred,
            predicates.CheckNodeConditionPred,
            predicates.PodToleratesNodeTaintsPred,
            predicates.CheckVolumeBindingPred,
        )
    }
    
    func defaultPriorities() sets.String {
        return sets.NewString(
            priorities.SelectorSpreadPriority,
            priorities.InterPodAffinityPriority,
            priorities.LeastRequestedPriority,
            priorities.BalancedResourceAllocation,
            priorities.NodePreferAvoidPodsPriority,
            priorities.NodeAffinityPriority,
            priorities.TaintTolerationPriority,
            priorities.ImageLocalityPriority,
        )
    }

下面继续看 `sched.Algorithm.Schedule()` 调用具体调度算法的过程：

* 检查 pod pvc 信息
  * 执行 prefilter plugins
  * 获取 scheduler cache 的快照，每次调度 pod 时都会获取一次快照
  * 执行 `g.findNodesThatFit()` 预选算法
  * 执行 postfilter plugin
  * 若 node 为 0 直接返回失败的 error，若 node 数为1 直接返回该 node
  * 执行 `g.priorityMetaProducer()` 获取 metaPrioritiesInterface，计算 pod 的metadata，检查该 node 上是否有相同 meta 的 pod
  * 执行 `PrioritizeNodes()` 算法
  * 执行 `g.selectHost()` 通过得分选择一个最佳的 node

`k8s.io/kubernetes/pkg/scheduler/core/generic_scheduler.go:186`

func (g *genericScheduler) Schedule(pod *v1.Pod, pluginContext *framework.PluginContext) (result ScheduleResult, err error) {
        ......
        // 1.检查 pod pvc
        if err := podPassesBasicChecks(pod, g.pvcLister); err != nil {
            return result, err
        }
    
        // 2.执行 "prefilter" plugins
        preFilterStatus := g.framework.RunPreFilterPlugins(pluginContext, pod)
        if !preFilterStatus.IsSuccess() {
            return result, preFilterStatus.AsError()
        }
    
        // 3.获取 node 数量
        numNodes := g.cache.NodeTree().NumNodes()
        if numNodes == 0 {
            return result, ErrNoNodesAvailable
        }
    
        // 4.快照 node 信息
        if err := g.snapshot(); err != nil {
            return result, err
        }
    
        // 5.执行预选算法
        startPredicateEvalTime := time.Now()
        filteredNodes, failedPredicateMap, filteredNodesStatuses, err := g.findNodesThatFit(pluginContext, pod)
        if err != nil {
            return result, err
        }
        // 6.执行 "postfilter" plugins
        postfilterStatus := g.framework.RunPostFilterPlugins(pluginContext, pod, filteredNodes, filteredNodesStatuses)
        if !postfilterStatus.IsSuccess() {
            return result, postfilterStatus.AsError()
        }
    
        // 7.预选后没有合适的 node 直接返回
        if len(filteredNodes) == 0 {
            ......
        }
    
        startPriorityEvalTime := time.Now()
        // 8.若只有一个 node 则直接返回该 node
        if len(filteredNodes) == 1 {
            return ScheduleResult{
                SuggestedHost:  filteredNodes[0].Name,
                EvaluatedNodes: 1 + len(failedPredicateMap),
                FeasibleNodes:  1,
            }, nil
        }
    
        // 9.获取 pod meta 信息，执行优选算法
        metaPrioritiesInterface := g.priorityMetaProducer(pod, g.nodeInfoSnapshot.NodeInfoMap)
        priorityList, err := PrioritizeNodes(pod, g.nodeInfoSnapshot.NodeInfoMap, metaPrioritiesInterface, g.prioritizers, filteredNodes, g.extenders, g.framework,      pluginContext)
        if err != nil {
            return result, err
        }
    
        // 10.根据打分选择最佳的 node
        host, err := g.selectHost(priorityList)
        trace.Step("Selecting host done")
        return ScheduleResult{
            SuggestedHost:  host,
            EvaluatedNodes: len(filteredNodes) + len(failedPredicateMap),
            FeasibleNodes:  len(filteredNodes),
        }, err
    }

至此，scheduler 的整个过程分析完毕。

### 总结

本文主要对于 kube-scheduler v1.16
的调度流程进行了分析，但其中有大量的细节都暂未提及，包括预选算法以及优选算法的具体实现、优先级与抢占调度的实现、framework
的使用及实现，因篇幅有限，部分内容会在后文继续说明。

参考：

[The Kubernetes
Scheduler](https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fkubernetes%2Fcommunity%2Fblob%2Fmaster%2Fcontributors%2Fdevel%2Fsig-
scheduling%2Fscheduler.md)  
[scheduling design
proposals](https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fkubernetes%2Fcommunity%2Ftree%2Fmaster%2Fcontributors%2Fdesign-
proposals%2Fscheduling)

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kube-scheduler 源码分析

zhou 3年前

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武云 3年前

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