简介： operator 是一种 kubernetes 的扩展形式，可以帮助用户以 Kubernetes 的声明式 API 风格自定义来管理应用及服务，operator已经成为分布式应用在k8s集群部署的事实标准了，在云原生时代系统想迁移到k8s集群上编写operator应用是必不可少的能力，这里介绍用 CoreOS 的 operator framework 工具如何快速构建一个 operator 应用。

再说 operator 之前让我们先来了解下什么是 CRD （自定义资源描述，Custom Resource Definition）？

CRD

在 Kubernetes 中我们使用的 Deployment， DamenSet，StatefulSet, Service，Ingress, ConfigMap, Secret 这些都是资源，而对这些资源的创建、更新、删除的动作都会被称为为事件(Event)，Kubernetes 的 Controller Manager 负责事件监听，并触发相应的动作来满足期望（Spec），这种方式也就是声明式，即用户只需要关心应用程序的最终状态。当我们在使用中发现现有的这些资源不能满足我们的需求的时候，Kubernetes 提供了自定义资源（Custom Resource）和 opertor 为应用程序提供基于 kuberntes 扩展。

CRD 则是对自定义资源的描述(Custom Resource Definition)，也就是介绍这个资源有什么属性呀，这些属性的类型是什么，结构是怎样的这类。

我们看一个postgres-operator的CRD：

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: postgresqls.acid.zalan.do
  labels:
    app.kubernetes.io/name: postgres-operator
  annotations:
    "helm.sh/hook": crd-install
spec:
  group: acid.zalan.do
  names:
    kind: postgresql
    listKind: postgresqlList
    plural: postgresqls
    singular: postgresql
    shortNames:
    - pg
  additionalPrinterColumns:
  - name: Team
    type: string
    description: Team responsible for Postgres CLuster
    JSONPath: .spec.teamId
  - name: Version
    type: string
    description: PostgreSQL version
    JSONPath: .spec.postgresql.version
  - name: Pods
    type: integer
    description: Number of Pods per Postgres cluster
    JSONPath: .spec.numberOfInstances
  - name: Volume
    type: string
    description: Size of the bound volume
    JSONPath: .spec.volume.size
...

从上面的 CRD 文件可以看到 CRD 主要包括apiVersion、kind、metadata和spec四个部分。其中最关键的是apiVersion和kind，apiVersion表示资源所属组织和版本，apiVersion一般由APIGourp和Version组成，这里的 APIGourp 是apiextensions.k8s.io，Version 是v1beta1，相关信息可以通过kubectl api-resoures查看。kind 表示资源类型，这里是CustomResourceDefinition，表示是一个自定义的资源描述。

operator是什么

CoreOS 在 2016 年底提出了 Operator 的概念，当时的一段官方定义如下：

An Operator represents human operational knowledge in software, to reliably manage an application.

operator 是一种 kubernetes 的扩展形式，利用自定义资源对象（Custom Resource）来管理应用和组件，允许用户以 Kubernetes 的声明式 API 风格来管理应用及服务。operator 定义了一组在 Kubernetes 集群中打包和部署复杂业务应用的方法，operator主要是为解决特定应用或服务关于如何运行、部署及出现问题时如何处理提供的一种特定的自定义方式。比如：

• 按需部署应用服务（总不能用一大堆configmap来管理吧，也会很混乱~w(Д)w）
• 实现应用状态的备份和还原，完成版本升级，比如
• 数据库 schema 或额外的配置设置的改动
• 为分布式应用进行master选举，例如etcd，或者master-slave架构的mysql集群。

operator SDK

operator SDK —— operator framework，是 CoreOS 公司开发和维护的用于快速创建 operator 的工具，可以帮助我们快速构建 operator 应用，类似的工具还有：

• KUDO (Kubernetes 通用声明式 Operator)
• kubebuilder，kubernetes SIG 在维护的一个项目
• Metacontroller，可与 Webhook 结合使用，以实现自己的功能。

如果希望查看 Operator 生态，可以上 operatorhub.io ，也可以将自己创建的应用发布上去。

operator 安装

安装 operator sdk:

export RELEASE_VERSION=v0.13.0
curl -LO https://github.com/operator-framework/operator-sdk/releases/download/${RELEASE_VERSION}/operator-sdk-${RELEASE_VERSION}-x86_64-linux-gnu
chmod +x operator-sdk-${RELEASE_VERSION}-x86_64-linux-gnu && sudo mkdir -p /usr/local/bin/ && sudo cp operator-sdk-${RELEASE_VERSION}-x86_64-linux-gnu /usr/local/bin/operator-sdk && rm operator-sdk-${RELEASE_VERSION}-x86_64-linux-gnu

基于模板创建项目

用operator sdk 创建项目模板，这里用官方提供的一个sample-controller的模板：

operator-sdk new <controller-name> --repo github.com/kubernetes/sample-controller

项目结构目录创建完成，如下：

$ operator-sdk new test-controller --repo github.com/kubernetes/sample-controller
$ tree
.
├── build
│   ├── bin
│   │   ├── entrypoint
│   │   └── user_setup
│   └── Dockerfile
├── cmd
│   └── manager
│       └── main.go
├── deploy
│   ├── operator.yaml
│   ├── role_binding.yaml
│   ├── role.yaml
│   └── service_account.yaml
├── go.mod
├── go.sum
├── pkg
│   ├── apis
│   │   └── apis.go
│   └── controller
│       └── controller.go
├── tools.go
└── version
    └── version.go

创建CRD

创建CRD：

operator-sdk add api --api-version=<api的版本> --kind=<类型名称>

创建CRD后，多出来了文件夹：

$ operator-sdk add api --api-version=test.k8s.realibox.com/v1 --kind=Realibox

INFO[0000] Generating api version test.k8s.realibox.com/v1 for kind Realibox. 
INFO[0000] Created pkg/apis/test/group.go               
INFO[0002] Created pkg/apis/test/v1/realibox_types.go   
INFO[0002] Created pkg/apis/addtoscheme_test_v1.go      
INFO[0002] Created pkg/apis/test/v1/register.go         
INFO[0002] Created pkg/apis/test/v1/doc.go              
INFO[0002] Created deploy/crds/test.k8s.realibox.com_v1_realibox_cr.yaml 
INFO[0004] Created deploy/crds/test.k8s.realibox.com_realiboxes_crd.yaml 
INFO[0004] Running deepcopy code-generation for Custom Resource group versions: [test:[v1], ] 
INFO[0014] Code-generation complete.                    
INFO[0014] Running CRD generation for Custom Resource group versions: [test:[v1], ] 
INFO[0014] Created deploy/crds/test.k8s.realibox.com_realiboxes_crd.yaml 
INFO[0014] CRD generation complete.                     
INFO[0014] API generation complete.      

$ tree
...
├── pkg
│   ├── apis
│   │   ├── addtoscheme_test_v1.go
│   │   ├── apis.go
│   │   └── test
│   │       ├── group.go
│   │       └── v1
│   │           ├── doc.go
│   │           ├── realibox_types.go
│   │           ├── register.go
│   │           └── zz_generated.deepcopy.go
│   └── controller
│       └── controller.go
...

test 文件夹下面放的就是 CRD，我们通过pkg/apis/test/v1/*_types.go文件定义我们的CRD结构，主要是Spec和Status：

vim pkg/apis/test/v1/realibox_types.go
...
// RealiboxSpec defines the desired state of Realibox
type RealiboxSpec struct {
        // INSERT ADDITIONAL SPEC FIELDS - desired state of cluster
        // Important: Run "operator-sdk generate k8s" to regenerate code after modifying this file
        // Add custom validation using kubebuilder tags: https://book-v1.book.kubebuilder.io/beyond_basics/generating_crd.html
}

type RealiboxStatus struct {
    // INSERT ADDITIONAL STATUS FIELD - define observed state of cluster
    // Important: Run "operator-sdk generate k8s" to regenerate code after modifying this file
    // Add custom validation using kubebuilder tags: https://book-v1.book.kubebuilder.io/beyond_basics/generating_crd.html
}
...

这里我们只改Spec字段，将RealiboxSpec结构体改为：

type RealiboxSpec struct {
    Domain string `json:"domain,omitempty"`
    OSS string `json:"oss,omitempty"`
    Size    string `json:"size,omitempty"`
}

更新CRD文件：

operator-sdk generate k8s
operator-sdk generate crds

CRD本质是一种k8s的资源，因此要使用crd，需要在K8s集群上创建CRD：

kubectl apply -f deploy/crds/test.k8s.realibox.com_realiboxes_crd.yaml

查看集群CRD：

$ kubectl get crd
NAME                                      CREATED AT
clusterauthtokens.cluster.cattle.io       2020-08-29T06:41:42Z
clusteruserattributes.cluster.cattle.io   2020-08-29T06:41:42Z
realiboxes.test.k8s.realibox.com          2020-08-29T07:57:44Z

编写controller

创建好 CRD 后，我们可以编写 controller 了，先创建一个 controller 监听和核对新创建的realibox资源类型：

命令行说明:

operator-sdk add controller --api-version=<api的版本> --kind=<类型名称>

运行结果：

$ operator-sdk add controller --api-version=test.k8s.realibox.com/v1 --kind=Realibox

$ tree
...
├── pkg
│   ├── apis
│   │   ├── addtoscheme_test_v1.go
│   │   ├── apis.go
│   │   └── test
│   │       ├── group.go
│   │       └── v1
│   │           ├── doc.go
│   │           ├── realibox_types.go
│   │           ├── register.go
│   │           └── zz_generated.deepcopy.go
│   └── controller
│       ├── add_realibox.go
│       ├── controller.go
│       └── realibox
│           └── realibox_controller.go
...

在pkg/controller目录下生成了controller代码，在
pkg/controller/realibox/realibox_controller.go编写代码逻辑即可，在这里，我将CR信息在创建pod之前打印到日志里：

...
func (r *ReconcileRealibox) Reconcile(request reconcile.Request) (reconcile.Result, error) {
  ...
    reqLogger.Info(fmt.Sprintf("Domain: %v created, oss info:%v, size: %v",instance.Spec.Domain,instance.Spec.OSS, instance.Spec.Size))
    // Define a new Pod object
    pod := newPodForCR(instance)

    ...
}
...

下面就可以运行 controller 了。

注：如果希望对集群进行更多的复杂操作，可以使用client-go来操作 Kubernetes 的资源，client-go是一个对 Kubernetes API 进行封装的库，由 Kubernetes 官方提供，还是十分好用的。

运行 controller

运行controller有两种方法，可以在本地直接运行controller，也可以打包到k8s运行。

本地运行controller

在本地运行controller直接go run就可以了：

export WATCH_NAMESPACE=default
go run cmd/manager/main.go

注意：不管是在本地运行还是远程运行都需要先在集群中创建CRD

运行好后我们可以编写一个CR资源，提交到k8s集群中：

apiVersion: test.k8s.realibox.com/v1
kind: Realibox
metadata:
  name: example-realibox
spec:
  domain: "realibox.com"
  oss: "aliyun.com"
  size: "3Gb"

通过kubectl提交到集群，可以看到controller程序已经收到CR注册内容打印出来了：

...
{"level":"info","ts":1598689291.273161,"logger":"controller_realibox","msg":"Domain: realibox.com created, oss info:aliyun.com, size: 3Gb","Request.Namespace":"default","Request.Name":"example-realibox"}
{"level":"info","ts":1598689291.2731829,"logger":"controller_realibox","msg":"Skip reconcile: Pod already exists","Request.Namespace":"default","Request.Name":"example-realibox","Pod.Namespace":"default","Pod.Name":"example-realibox-pod"}
...

打包提交到k8s运行

如果我们controller完成，我们可以将其打包放到k8s上运行：

打包镜像

这里用的阿里云镜像仓库：

operator-sdk build registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com/shikanon/realibox-operator-test:v0.1  --image-builder docker

将打包好镜像上传镜像仓库：

docker login --username=shikanon@foxmail.com registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com
docker push registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com/shikanon/realibox-operator-test:v0.1

更改deploy/operator.yaml里面的镜像名称：

...
    spec:
      serviceAccountName: test-controller
      containers:
        - name: test-controller
          # Replace this with the built image name
          image: registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com/shikanon/realibox-operator-test:v0.1
          command:
          - test-controller
          imagePullPolicy: Always
...

将deploy下的YAML文件提交到集群中

kubectl apply -f deploy/service_account.yaml
kubectl apply -f deploy/role.yaml
kubectl apply -f deploy/role_binding.yaml
kubectl apply -f deploy/operator.yaml

查看状态，确保全部成功：

$ kubectl get all
NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/test-controller-75bf886d9c-whjdn   1/1     Running   0          23s

NAME                              TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)             AGE
service/kubernetes                ClusterIP   10.43.0.1       <none>        443/TCP             123m
service/test-controller-metrics   ClusterIP   10.43.100.251   <none>        8383/TCP,8686/TCP   12s

NAME                              READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/test-controller   1/1     1            1           23s

NAME                                         DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/test-controller-75bf886d9c   1         1         1       23s

提交CR

这和单机运行是一样的，编写一个CR提交到集群，然后可以通过controller的pod日志查看到变化：

$ kubectl logs -f test-controller-75bf886d9c-whjdn
...
{"level":"info","ts":1598690827.2699623,"logger":"controller_realibox","msg":"Reconciling Realibox","Request.Namespace":"default","Request.Name":"example-realibox"}
{"level":"info","ts":1598690827.270006,"logger":"controller_realibox","msg":"Domain: realibox.com created, oss info:aliyun.com, size: 3Gb","Request.Namespace":"default","Request.Name":"example-realibox"}
{"level":"info","ts":1598690827.2700245,"logger":"controller_realibox","msg":"Skip reconcile: Pod already exists","Request.Namespace":"default","Request.Name":"example-realibox","Pod.Namespace":"default","Pod.Name":"example-realibox-pod"}
...

参考文献

• https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/extend-kubernetes/operator/
• https://developer.aliyun.com/article/772224
• https://liqiang.io/post/kubernetes-all-about-crd-part06-kubebuilder-and-operator-sdk-d6e0858e
• https://www.shikanon.com/2020/%E8%BF%90%E7%BB%B4/%E5%9F%BA%E4%BA%8Eoperator-sdk%E6%A1%86%E6%9E%B6%E7%BC%96%E5%86%99CRD/
• https://coreos.com/blog/introducing-operators.html
• https://cloud.google.com/blog/products/containers-kubernetes/best-practices-for-building-kubernetes-operators-and-stateful-apps
• https://mp.weixin.qq.com/s/aXdbBJlUAQp6YPvZU3isSQ