【Kubernetes专项】K8s 控制器 StatefulSet 从入门到企业实战应用

十四、K8s 控制器 StatefulSet 从入门到企业实战应用

14.1 StatefulSet 控制器概述

StatefulSet是为了管理有状态服务的问题而设计的

14.1.1 有、无状态服务概念

有状态服务：StatefulSet 是有状态的集合，管理有状态的服务，它所管理的 Pod 的名称不能随意变化。数据持久化的目录也是不一样，每一个 Pod 都有自己独有的数据持久化存储目录。比如 MySQL 主从、redis 集群等。

无状态服务：RC、Deployment、DaemonSet都是管理无状态的服务，它们所管理的Pod的IP、名字，启停顺序等都是随机的。个体对整体无影响，所有pod都是共用一个数据卷的，部署的tomcat就是无状态的服务，tomcat被删除，在启动一个新的tomcat，加入到集群即可，跟tomcat的名字无关。

14.2 St atefulSet 资源清单文件编写

14.2.1 statefulset.spec字段

[root@k8s-master1 ~]# kubectl explain statefulset.spec
minReadySeconds <integer>
# 指定新创建的 Pod 在被标记为就绪（Ready）后，还需等待多少秒才被视为“可用”。该值用于控制滚动更新或扩缩容时对服务可用性的影响。默认为 0。

ordinals <StatefulSetOrdinals>
# （Kubernetes 1.26+ 引入）用于自定义 StatefulSet Pod 的起始序号（ordinal）。默认从 0 开始，可通过此字段设置起始值（如从 10 开始），适用于需要与外部系统序号对齐的场景。

persistentVolumeClaimRetentionPolicy <StatefulSetPersistentVolumeClaimRetentionPolicy>
# 定义在 StatefulSet 被删除或缩容时，其关联的 PersistentVolumeClaim（PVC）的保留策略。可配置 whenDeleted 和 whenScaled 字段，分别控制删除 StatefulSet 或缩容时是否保留 PVC。默认行为是保留 PVC。

podManagementPolicy <string>
# Pod 管理策略，控制 Pod 的创建、删除和更新顺序。
1.OrderedReady（默认）：按序创建/更新（从 0 到 N-1），按逆序删除（从 N-1 到 0），且每个 Pod 必须就绪后才继续下一个。
2.Parallel：并行创建、删除和更新所有 Pod，不等待前一个 Pod 就绪。

replicas <integer>
# 副本数

revisionHistoryLimit <integer>
# 保留的历史 ReplicaSet（或 ControllerRevision）数量，用于支持回滚操作。默认为 10。设为 0 将禁用回滚能力。

selector <LabelSelector> -required-
# 标签选择器

serviceName <string> -required-
# 用于提供 Pod 网络标识的 Headless Service 名称。StatefulSet 依赖此 Service 为每个 Pod 提供稳定的 DNS 记录（格式：<pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local）。

template <PodTemplateSpec> -required-
# pod资源模版

updateStrategy <StatefulSetUpdateStrategy>
# 定义 StatefulSet 的更新策略。

volumeClaimTemplates <[]PersistentVolumeClaim>
# 存储卷申请模板列表。每个模板会为每个 Pod 自动生成一个独立的 PVC，命名格式为 <volumeClaimTemplate.name>-<statefulset.name>-<ordinal>。这些 PVC 与 Pod 生命周期解耦，即使 Pod 被删除，PVC 和其绑定的 PV 通常仍保留（除非通过 persistentVolumeClaimRetentionPolicy 显式删除）。

14.3 StatefulSet 使用案例：部署web站点

# 编写一个包含service及statefulset的资源清单文件
[root@k8s-master1 statefulset]# vim sts.yaml
apiVersion: v1
kind: Service# Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
clusterIP: None
ports:
– port: 80
name: web
selector:
app: nginx
—
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet# StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
serviceName: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
– name: nginx
image: docker.io/library/nginx:latest
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
– containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
– name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:# 存储卷申请模版
– metadata:
name: www
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
storageClassName: "nfs"# 指定从哪个存储类申请 pv资源
resources:
requests:
storage: 1Gi# 需要1Gi的 pvc，会自动跟符合条件的 pv进行绑定

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl apply -f sts.yaml

# 查看statefulset资源
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get sts
web 2/2 5s

# 查看headless service（无头服务）
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get svc | grep nginx
nginx ClusterIP None <none> 80/TCP 9s

# 查看pod资源：创建出来是有序的资源
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get pods | grep web
web-0 1/1 Running 0 21s
web-1 1/1 Running 0 19s

# 查看pvc资源
[root@k8s-master1 sc]# kubectl get pvc
www-web-0 Bound pvc-814dc3bd-d61f-401e-997e-026cb983f47a 1Gi RWO nfs
www-web-1 Bound pvc-ca801dcd-f3ca-4d52-b864-44c8af962839 1Gi RWO nfs

# 查看pv资源
[root@k8s-master1 sc]# kubectl get pv
pvc-814dc3bd-d61f-401e-997e-026cb983f47a 1Gi RWO Delete Bound default/www-web-0 nfs
pvc-ca801dcd-f3ca-4d52-b864-44c8af962839 1Gi RWO Delete Bound default/www-web-1 nfs

# 使用 kubectl run 运行一个提供 nslookup命令 的容器的，这个命令来自于 dnsutils包，通过对 pod主机名 执行nslookup，可以检查它们在集群内部的DNS地址：

[root@k8s-master1 sc]# kubectl run busybox –image docker.io/library/busybox:1.28 –image-pull-policy=IfNotPresent –restart=Never –rm -it busybox — sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # nslookup 10.244.90.132
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name: 10.244.90.132
Address 1: 10.244.90.132 web-0.nginx.default.svc.cluster.local
/ #
/ #
/ # nslookup 10.244.147.202
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name: 10.244.147.202
Address 1: 10.244.147.202 web-1.nginx.default.svc.cluster.local
/ #
/ #
/ # nslookup web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name: web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Address 1: 10.244.90.132 web-0.nginx.default.svc.cluster.local
/ #
/ #
/ # nslookup web-1.nginx.default.svc.cluster.local
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name: web-1.nginx.default.svc.cluster.local
Address 1: 10.244.147.202 web-1.nginx.default.svc.cluster.local

14.4 Headless Service（无头服务）总结

14.4.1 Headless Service 概述

Headless Service（无头服务） 是 Kubernetes 中一种特殊的 Service 类型，其核心特点是 不分配 ClusterIP，也不提供负载均衡功能。

关键特征

在 StatefulSet 中的作用

StatefulSet 依赖 Headless Service 实现：

• 稳定的网络标识：每个 Pod 拥有固定的 DNS 名称（如 web-0.nginx）
• Pod 间直接通信：应用可直接通过 Pod 的 DNS 名称互相访问，无需经过 Service 负载均衡
• 有状态应用需求：适用于数据库集群（如 MySQL MGR、MongoDB 副本集）、ZooKeeper 等需要节点身份识别的场景

配置分析

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
spec:
clusterIP: None # ← 这正是 Headless Service 的标志
selector:
app: nginx

此配置正确创建了 Headless Service，为 StatefulSet 的每个 Pod（web-0、web-1）提供独立的 DNS 记录，满足有状态应用的网络需求。当前 StatefulSet 无法创建 Pod 的问题与 Headless Service 无关，而是由 mountPath 未配置导致。

Headless service不分配clusterIP，headless service可以通过解析service的DNS,返回所有Pod的dns和ip地址 (statefulSet部署的Pod才有DNS)，普通的service,只能通过解析service的DNS返回service的ClusterIP。

headless service会为service分配一个域名

<service name>.$<namespace name>.svc.cluster.local

14.4.2 举例说明：Headless Service 与 Service 的区别

# 通过deployment创建pod，pod前端创建一个service
[root@k8s-master1 sc]# vim deploy_svc.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my-nginx
labels:
run: my-nginx
spec:
type: ClusterIP
ports:
– port: 80# service的端口，暴露给k8s集群内部服务访问
protocol: TCP
targetPort: 80# pod容器中定义的端口
selector:
run: my-nginx
—
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: my-nginx
spec:
replicas: 2
selector:
matchLabels:
run: my-nginx
template:
metadata:
labels:
run: my-nginx
spec:
containers:
– name: my-nginx
image: docker.io/library/busybox:1.28
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
– containerPort: 80
command: ["sleep","3600"]

[root@k8s-master1 sc]# kubectl apply -f deploy_svc.yaml

# 查看service资源
[root@k8s-master1 sc]# kubectl get svc | grep my-nginx
my-nginx ClusterIP 10.107.206.98 <none> 80/TCP 4m47s

# 查看pod资源：发现通过deploy创建出pod是随机生成的，而不是规范顺序的
[root@k8s-master1 sc]# kubectl get pods -owide | grep my-nginx
my-nginx-56946449b9-97qh2 1/1 Running 10.244.147.203 k8s-node1.kaser.org
my-nginx-56946449b9-wwdrg 1/1 Running 10.244.90.135 k8s-node2.kaser.org

14.5 StatefulSet 总结

14.6 StatefulSet 实现 pod 资源扩缩容

14.6.1 操作文件实现动态扩缩容

# 开启watch监控观察
watch -n1 kubectl get pods

14.6.1.1 扩容

# 编辑文件
[root@k8s-master1 statefulset]# vim sts.yaml
.......
—
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
replicas: 4# 2 –> 4
.......

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl apply -f sts.yaml
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get pods | grep web
web-0 1/1 Running
web-1 1/1 Running
web-2 1/1 Running
web-3 1/1 Running

14.6.1.2 缩容

# 编辑文件
[root@k8s-master1 statefulset]# vim sts.yaml
.......
—
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
replicas: 2# 4 –> 2
.......

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl apply -f sts.yaml
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get pods | grep web
web-0 1/1 Running
web-1 1/1 Running

14.6.2 编辑控制器实现动态扩缩容

14.6.2.1 扩容

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl edit sts web
22 replicas: 5# 2 — 5

# 不需要更新资源文件
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get pods | grep web
web-0 1/1 Running
web-1 1/1 Running
web-2 1/1 Running
web-3 1/1 Running
web-4 1/1 Running

14.6.2.2 缩容

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl edit sts web
22 replicas: 2# 5 — 2

# 不需要更新资源文件
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl get pods | grep web
web-0 1/1 Running
web-1 1/1 Running

14.7 StatefulSet 资源更新策略

14.7.1 sts.spec.updateStrategy字段

]# kubectl explain sts.spec.updateStrategy
rollingUpdate <RollingUpdateStatefulSetStrategy>
type <string>
# 更新策略类型（两种）
– `"OnDelete"`
# 手动删除时更新
– `"RollingUpdate"`
# 滚动更新

14.7.2 sts.spec.updateStrategy.rollingUpdate字段

]# kubectl explain sts.spec.updateStrategy.rollingUpdate
maxUnavailable <IntOrString>
# 在更新过程中，允许同时不可用的 Pod 的最大数量（或百分比）

partition <integer>
# 用于 StatefulSet 的有序更新，指定从哪个序号开始更新 Pod
# 大于等于这个序号的pod进行更新

14.7.3 RollingUpdate滚动更新策略

[root@k8s-master1 statefulset]# vim sts.yaml
......
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
serviceName: nginx
updateStrategy:# 策略
type: RollingUpdate# 默认就为滚动更新，可以不写
rollingUpdate:# 滚动更新
maxUnavailable: 0
partition: 1# 从序号1之后（包括1）开始进行更新
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
– name: nginx
image: docker.io/ikubernetes/myapp:v1# 更新镜像（nginx –> myapp）
imagePullPolicy: IfNotPresent
......

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl apply -f sts.yaml

# 另外打开终端观察
# 发现，从序号1且包含1之后开始更新
]# watch -n1 kubectl get pods -owide \\| grep web

# web-0 web-1 进行测试，查看镜像是否一样
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl exec -it web-0 — /bin/bash
root@web-0:/# cd /usr/share/nginx/html/
root@web-0:/usr/share/nginx/html# ls

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl exec -it web-1 — /bin/sh
/ # ls -l /usr/share/nginx/html/
total 0

14.7.4 OnDelete手动删除更新策略

# 此时如果将策略改变为 `OnDelete`，会发生什么呢？
[root@k8s-master1 statefulset]# vim sts.yaml
......
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
serviceName: nginx
updateStrategy:# 策略
type: OnDelete
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
– name: nginx
image: docker.io/library/nginx:latest# 更新镜像（myapp –> nginx）
imagePullPolicy: IfNotPresent
......

[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl apply -f sts.yaml

# 另外打开终端观察,发现没有变化
[root@k8s-master1 statefulset]# watch -n1 kubectl get pods -owide \\| grep web

# 手动删除之后，才会发现进行变化
[root@k8s-master1 statefulset]# kubectl delete pods web-0 web-1 web-2