浅析 Kubelet 驱逐机制

Kubelet 出于对节点的保护，允许在节点资源不足的情况下，开启对节点上 Pod 进行驱逐的功能。最近对 Kubelet 的驱逐机制有所研究，发现其中有很多值得学习的地方，总结下来和大家分享。

Kubelet 的配置

Kubelet 的驱逐功能需要在配置中打开，并且配置驱逐的阈值。Kubelet 的配置中与驱逐相关的参数如下：

type KubeletConfiguration struct {
...
// Map of signal names to quantities that defines hard eviction thresholds. For example: {"memory.available": "300Mi"}.
EvictionHard map[string]string
// Map of signal names to quantities that defines soft eviction thresholds. For example: {"memory.available": "300Mi"}.
EvictionSoft map[string]string
// Map of signal names to quantities that defines grace periods for each soft eviction signal. For example: {"memory.available": "30s"}.
EvictionSoftGracePeriod map[string]string
// Duration for which the kubelet has to wait before transitioning out of an eviction pressure condition.
EvictionPressureTransitionPeriod metav1.Duration
// Maximum allowed grace period (in seconds) to use when terminating pods in response to a soft eviction threshold being met.
EvictionMaxPodGracePeriod int32
// Map of signal names to quantities that defines minimum reclaims, which describe the minimum
// amount of a given resource the kubelet will reclaim when performing a pod eviction while
// that resource is under pressure. For example: {"imagefs.available": "2Gi"}
EvictionMinimumReclaim map[string]string
...
}

其中，EvictionHard 表示硬驱逐，一旦达到阈值，就直接驱逐;EvictionSoft 表示软驱逐，即可以设置软驱逐周期，只有超过软驱逐周期后，才启动驱逐，周期用 EvictionSoftGracePeriod 设置;EvictionMinimumReclaim 表示设置最小可用的阈值，比如 imagefs。

可以设置的驱逐信号有：

memory.available：node.status.capacity[memory] - node.stats.memory.workingSet，节点可用内存
nodefs.available：node.stats.fs.available，Kubelet 使用的文件系统的可使用容量大小
nodefs.inodesFree：node.stats.fs.inodesFree，Kubelet 使用的文件系统的可使用 inodes 数量
imagefs.available：node.stats.runtime.imagefs.available，容器运行时用来存放镜像及容器可写层的文件系统的可使用容量
imagefs.inodesFree：node.stats.runtime.imagefs.inodesFree，容器运行时用来存放镜像及容器可写层的文件系统的可使用 inodes 容量
allocatableMemory.available：留给分配 Pod 用的可用内存
pid.available：node.stats.rlimit.maxpid - node.stats.rlimit.curproc，留给分配 Pod 用的可用 PID

Eviction Manager 工作原理

Eviction Manager的主要工作在 synchronize 函数里。有两个地方触发 synchronize 任务，一个是 monitor 任务，每 10s 触发一次;另一个是根据用户配置的驱逐信号，启动的 notifier 任务，用来监听内核事件。

浅析 Kubelet 驱逐机制

notifier

notifier 由 eviction manager 中的 thresholdNotifier 启动，用户配置的每一个驱逐信号，都对应一个 thresholdNotifier，而 thresholdNotifier 和 notifier 通过 channel 通信，当 notifier 向 channel 中发送消息时，对应的 thresholdNotifier 便触发一次 synchronize 逻辑。

notifier 采用的是内核的 cgroups Memory thresholds，cgroups 允许用户态进程通过 eventfd 来设置当 memory.usage_in_bytes 达到某阈值时，内核给应用发送通知。具体做法是向 cgroup.event_control 写入 " "。

notifier 的初始化代码如下(为了方便阅读，删除了部分不相干代码)，主要是找到 memory.usage_in_bytes 的文件描述符 watchfd，cgroup.event_control 的文件描述符 controlfd，完成 cgroup memory thrsholds 的注册。

func NewCgroupNotifier(path, attribute string, threshold int64) (CgroupNotifier, error) {
var watchfd, eventfd, epfd, controlfd int
watchfd, err = unix.Open(fmt.Sprintf("%s/%s", path, attribute), unix.O_RDONLY|unix.O_CLOEXEC, 0)
defer unix.Close(watchfd)
controlfd, err = unix.Open(fmt.Sprintf("%s/cgroup.event_control", path), unix.O_WRONLY|unix.O_CLOEXEC, 0)
defer unix.Close(controlfd)
eventfd, err = unix.Eventfd(0, unix.EFD_CLOEXEC)
defer func() {
// Close eventfd if we get an error later in initialization
if err != nil {
unix.Close(eventfd)
}
}()
epfd, err = unix.EpollCreate1(unix.EPOLL_CLOEXEC)
defer func() {
// Close epfd if we get an error later in initialization
if err != nil {
unix.Close(epfd)
}
}()
config := fmt.Sprintf("%d %d %d", eventfd, watchfd, threshold)
_, err = unix.Write(controlfd, []byte(config))
return &linuxCgroupNotifier{
eventfd: eventfd,
epfd: epfd,
stop: make(chan struct{}),
}, nil
}

notifier 在启动时还会通过 epoll 来监听上述的 eventfd，当监听到内核发送的事件时，说明使用的内存已超过阈值，便向 channel 中发送信号。

func (n *linuxCgroupNotifier) Start(eventCh chan<- struct{}) {
err := unix.EpollCtl(n.epfd, unix.EPOLL_CTL_ADD, n.eventfd, &unix.EpollEvent{
Fd: int32(n.eventfd),
Events: unix.EPOLLIN,
})
for {
select {
case <-n.stop:
return
default:
}
event, err := wait(n.epfd, n.eventfd, notifierRefreshInterval)
if err != nil {
klog.InfoS("Eviction manager: error while waiting for memcg events", "err", err)
return
} else if !event {
// Timeout on wait. This is expected if the threshold was not crossed
continue
}
// Consume the event from the eventfd
buf := make([]byte, eventSize)
_, err = unix.Read(n.eventfd, buf)
if err != nil {
klog.InfoS("Eviction manager: error reading memcg events", "err", err)
return
}
eventCh <- struct{}{}
}
}

synchronize 逻辑每次执行都会判断 10s 内 notifier 是否有更新，并重新启动 notifier。cgroup memory threshold 的计算方式为内存总量减去用户设置的驱逐阈值。

synchronize

Eviction Manager 的主逻辑 synchronize 细节比较多，这里就不贴源码了，梳理下来主要是以下几个事项：

针对每个信号构建排序函数;
更新 threshold 并重新启动 notifier;
获取当前节点的资源使用情况(cgroup 的信息)和所有活跃的 pod;
针对每个信号，分别确定当前节点的资源使用情况是否达到驱逐的阈值，如果都没有，则退出当前循环;
将所有的信号进行优先级排序，优先级为：跟内存有关的信号先进行驱逐;
向 apiserver 发送驱逐事件;
将所有活跃的 pod 进行优先级排序;
按照排序后的顺序对 pod 进行驱逐。

计算驱逐顺序

对 pod 的驱逐顺序主要取决于三个因素：

pod 的资源使用情况是否超过其 requests;
pod 的 priority 值;
pod 的内存使用情况;

三个因素的判断顺序也是根据注册进 orderedBy 的顺序。这里 orderedBy 函数的多级排序也是 Kubernetes 里一个值得学习(抄作业)的一个实现，感兴趣的读者可以自行查阅源码。

// rankMemoryPressure orders the input pods for eviction in response to memory pressure.
// It ranks by whether or not the pod's usage exceeds its requests, then by priority, and
// finally by memory usage above requests.
func rankMemoryPressure(pods []*v1.Pod, stats statsFunc) {
orderedBy(exceedMemoryRequests(stats), priority, memory(stats)).Sort(pods)
}

驱逐 Pod

接下来就是驱逐 Pod 的实现。Eviction Manager 驱逐 Pod 就是干净利落的 kill，里面具体的实现这里不展开分析，值得注意的是在驱逐之前有一个判断，如果 IsCriticalPod 返回为 true 则不驱逐。

func (m *managerImpl) evictPod(pod *v1.Pod, gracePeriodOverride int64, evictMsg string, annotations map[string]string) bool {
// If the pod is marked as critical and static, and support for critical pod annotations is enabled,
// do not evict such pods. Static pods are not re-admitted after evictions.
// https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/40573 has more details.
if kubelettypes.IsCriticalPod(pod) {
klog.ErrorS(nil, "Eviction manager: cannot evict a critical pod", "pod", klog.KObj(pod))
return false
}
// record that we are evicting the pod
m.recorder.AnnotatedEventf(pod, annotations, v1.EventTypeWarning, Reason, evictMsg)
// this is a blocking call and should only return when the pod and its containers are killed.
klog.V(3).InfoS("Evicting pod", "pod", klog.KObj(pod), "podUID", pod.UID, "message", evictMsg)
err := m.killPodFunc(pod, true, &gracePeriodOverride, func(status *v1.PodStatus) {
status.Phase = v1.PodFailed
status.Reason = Reason
status.Message = evictMsg
})
if err != nil {
klog.ErrorS(err, "Eviction manager: pod failed to evict", "pod", klog.KObj(pod))
} else {
klog.InfoS("Eviction manager: pod is evicted successfully", "pod", klog.KObj(pod))
}
return true
}

再看看 IsCriticalPod 的代码：

func IsCriticalPod(pod *v1.Pod) bool {
if IsStaticPod(pod) {
return true
}
if IsMirrorPod(pod) {
return true
}
if pod.Spec.Priority != nil && IsCriticalPodBasedOnPriority(*pod.Spec.Priority) {
return true
}
return false
}
// IsMirrorPod returns true if the passed Pod is a Mirror Pod.
func IsMirrorPod(pod *v1.Pod) bool {
_, ok := pod.Annotations[ConfigMirrorAnnotationKey]
return ok
}
// IsStaticPod returns true if the pod is a static pod.
func IsStaticPod(pod *v1.Pod) bool {
source, err := GetPodSource(pod)
return err == nil && source != ApiserverSource
}
func IsCriticalPodBasedOnPriority(priority int32) bool {
return priority >= scheduling.SystemCriticalPriority
}

从代码看，如果 Pod 是 Static、Mirror、Critical Pod 都不驱逐。其中 Static 和 Mirror 都是从 Pod 的 annotation 中判断;而 Critical 则是通过 Pod 的 Priority 值判断的，如果 Priority 为 system-cluster-critical/system-node-critical 都属于 Critical Pod。

不过这里值得注意的是，官方文档里提及 Critical Pod 是说，如果非 Static Pod 被标记为 Critical，并不完全保证不会被驱逐：https://kubernetes.io/docs/tasks/administer-cluster/guaranteed-scheduling-critical-addon-pods 。因此，很有可能是社区并没有想清楚这种情况是否要驱逐，并不排除后面会改变这段逻辑，不过也有可能是文档没有及时更新??。