【探索 Kubernetes|作业管理篇 系列 16】离线业务 Job、CronJob

前言

大家好，我是秋意零。

在上一篇中，我们讲解了 DaemonSet 控制器，相信你以及理解了其的工作过程，分为三部。一是，获取所有 Node 节点中的 Pod；二是，判断是否有符合 DaemonSet 管理的 Pod；三是，通过“亲和性”和“容忍”来精确控制并保证 Pod 在目标节点运行。

今天的内容是 Job 与 CronJob 离线业务控制器。

👿 简介

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系列文章目录

【云原生|探索 Kubernetes-1】容器的本质是进程
【云原生|探索 Kubernetes-2】容器 Linux Cgroups 限制
【云原生|探索 Kubernetes 系列 3】深入理解容器进程的文件系统
【云原生|探索 Kubernetes 系列 4】现代云原生时代的引擎
【云原生|探索 Kubernetes 系列 5】简化 Kubernetes 的部署，深入解析其工作流程

更多点击专栏查看：深入探索 Kubernetes

正文开始：

• 快速上船，马上开始掌舵了（Kubernetes），距离开船还有 3s，2s，1s...

一、离线业务

通过前面篇章中的学习的控制器，如：Deployment、StatefulSet、DaemonSet 这三个编排控制器，它们所部署的服务都有什么共同点吗？

答案是：有的。

• 其实，它们主要编排的对象业务，都是“在线业务”，即：Long Running Task（长作业）。比如：Nginx、Tomcat、Apache、MySQL 等等，这部分业务只要一运行起来，如果不出现错误或手动停止删除，这些服务的容器（进程）会一直运行（Running）下去。

既然有了这种“在线业务”，那是不是就一定有“离线业务”呢？

答案：是的。

• “离线业务”对比“在线业务”是相反的概率，就是服务不会一直运行下去，而是服务自己的任务完成之后就会自动退出。

如果使用控制“在线业务”的控制器，来编排“离线业务”会是怎么样呢？

• “离线业务”或者叫作 Batch Job（计算业务）：这种情况下是没有意义的，比如：使用 Deployment 来编排一个“离线业务”，“离线业务”完成后就会自动退出，而因为 Deployment 的缘故会实际状态的 Pod 个数保持在期望状态的 Pod 个数，也就会重新创建这个“离线业务”。
• 咋一看，好像也没什么，如果将“离线业务”任务是用来计算 1+1 的这种运行结果时，不断重建“离线业务”是不是就失去了意义了呢？
• 因为完全没有必要。而使用 Deployment 的“滚动更新”功能也是一样的道理，无意义。

二、Job 基本概念与用法

现在，我们来看一个 Job 计算 π 后 10000 位小数的例子：

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: pi
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: pi
        image: resouer/ubuntu-bc 
        command: ["sh", "-c", "echo 'scale=10000; 4*a(1)' | bc -l "]
      restartPolicy: Never
  backoffLimit: 4

可以看到，这个例子的

spec.template

字段可谓是非常熟悉了吧（Pod 模板）。但是，跟其他控制器不同的是，Job 对象并不要求你定义一个 spec.selector 来绑定要控制哪些 Pod。

这个 Job 使用的一个 ubuntu 镜像 ，安装有 bc 精度的计算命令，并运行了一条计算 π 后 10000 位小数的命令：

echo 'scale=10000; 4*a(1)' | bc -l

• scale：定义某些操作如何使用小数点后的数字，默认为 0；
• *4a(1)*：a(1)，是调用数学库中的 arctangent 函数，4atan(1) 正好就是 π，也就是 3.1415926…；
• -l 参数：定义使用的标准数学库。

1. 运行这个 Job：

[root@master01 yaml]# kubectl apply -f job.yaml
job.batch/pi created
[root@master01 yaml]# kubectl describe job/pi

我们来查看一下这个 Job 对象详细信息：

• 可以看到创建 Job 之后，Job 自动为 Pod Template 添加了一个标签，格式为：controller-uid=<一个随机字符串>。Job 本身也添加了对应的 Selector，从而保证了 Job 与它所管理的 Pod 之间的匹配关系。
• 而 Job 控制器使用这种 UID 的标签，就是为了避免不同 Job 对象所管理的 Pod 发生重合。因为它不需要对特定的副本进行选择或管理，Job 仅负责执行一次性任务，而不需要与其他副本进行交互或进行标签选择。
• Job 中也没有 replicas 字段。因为， Job 的主要目的是确保任务的完成，不是保持一定数量的副本运行。当 Job 中定义的任务成功完成后，Job 会认为任务已经完成，并且不会重新创建新的任务。因此，replicas 字段在 Job 中没有意义。

1. 创建 Job 后，查看 Pod 的状态：

[root@master01 yaml]# kubectl get pod
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pi-nxplz   1/1     Running   0          31s

几分钟后 Pod 进入 Completed 状态，说明它的任务已经完成。不重启的原因：我们在 Pod 模板中定义过了 restartPolicy=Never 策略。

Job 中的重启策略 restartPolicy，只能被设置为 Never 和 OnFailure；

[root@master01 yaml]# kubectl get pod
NAME       READY   STATUS      RESTARTS   AGE
pi-nxplz   0/1     Completed   0          4m
[root@master01 yaml]# kubectl get job
NAME   COMPLETIONS   DURATION   AGE
pi     0/1           3s         3s

1. kubectl logs 命令，查看运行结果：

[root@master01 ~]# kubectl logs pod/pi-nxplz
3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307\
81640628620899862803482534211706798214808651328230664709384460955058\
22317253594081284811174502841027019385211055596446229489549303819644\
28810975665933446128475648233786783165271201909145648566923460348610\
....

1. 离线作业失败了要怎么办？

由于，定义了

restartPolicy=Never

，那么离线作业失败后 Job Controller 就会不断地尝试创建一个新 Pod，如：

$ kubectl get pods
NAME                                READY     STATUS              RESTARTS   AGE
pi-55h89                            0/1       ContainerCreating   0          2s
pi-tqbcz                            0/1       Error               0          5s

不过，为了不让这个 Pod 一直创建下去，因为一直创建下去说明我们程序就有问题，这个时候我们使用

spec.backoffLimit

字段来设置重试次数，这个 Job 为 4，这个字段的默认值是 6。

需要注意的是：Job Controller 重新创建 Pod 的间隔是呈指数增加的，即：下一次重新创建 Pod 的动作会分别发生在 10 s、20 s、40 s …后。

而如果你定义的

restartPolicy=OnFailure

，那么离线作业失败后，Job Controller 就不会去尝试创建新的 Pod。但是，它会不断地尝试重启 Pod 里的容器。

1. 如果这个 Pod 因为某种原因一直不肯结束呢？

spec.activeDeadlineSeconds

字段可以设置最长运行时间，比如：

spec:
 backoffLimit: 4
 activeDeadlineSeconds: 100

这个程序运行一旦超过 100 s，那 Pod 会被终止。

以上，就是一个 Job API 对象最主要的概念和用法了。不过，离线业务之所以被称为 Batch Job，当然是因为它们可以以“Batch”（批处理），也就是并行的方式去运行。

三、Job Controller 并行作业的控制方法

在 Job 对象中，负责并行控制的参数有两个：

• 1. spec.parallelism：Job 最多可以启动多少个 Pod 同时运行；
• **2.**spec.completions：Job 至少要完成的 Pod 数目，即 Job 的最小完成数。

在之前计算 Pi 值的 Job 里，添加这两个参数：

• 并行数量为 2
• 至少完成的数量为 4

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: pi
spec:
  parallelism: 2
  completions: 4
  template:
    spec:
      containers:
      - name: pi
        image: resouer/ubuntu-bc
        command: ["sh", "-c", "echo 'scale=5000; 4*a(1)' | bc -l "]
      restartPolicy: Never
  backoffLimit: 4

1. 创建 Job：

[root@master01 yaml]# kubectl apply -f job.yaml

1. 查看 Job：

• COMPLETIONS：需要完成的数量以及完成的数量，比如：2/4，已完成 2 个任务，至少需要完成 4 个任务。

[root@master01 yaml]# kubectl get job
NAME   COMPLETIONS   DURATION   AGE
pi     2/4           57s        57s

当一组 Pod 完成后，就会有新的一组 Pod 继续执行

[root@master01 yaml]# kubectl get pod
NAME       READY   STATUS      RESTARTS   AGE
pi-js98q   1/1     Running     0          25s
pi-mhfsl   1/1     Running     0          25s
pi-t2w8n   0/1     Completed   0          55s
pi-z7gqh   0/1     Completed   0          55s

当所有 Pod 任务完成之后，Job 的 COMPLETIONS 字段也就变成了 4/4

[root@master01 yaml]# kubectl get pod
NAME       READY   STATUS      RESTARTS   AGE
pi-js98q   0/1     Completed   0          8m56s
pi-mhfsl   0/1     Completed   0          8m56s
pi-t2w8n   0/1     Completed   0          9m26s
pi-z7gqh   0/1     Completed   0          9m26s
[root@master01 yaml]# kubectl get job
NAME   COMPLETIONS   DURATION   AGE
pi     4/4           59s        3m59s

Job Controller 实际上控制了，作业执行的并行度，以及总共需要完成的任务数这两个重要参数。而在实际使用时，你需要根据作业的特性，来决定并行度（parallelism）和任务数（completions）的合理取值。

四、使用 Job 常用的方法

外部管理器 +Job 模板

这种模式的用法是：把 Job 的 YAML 文件当作一个模板，然后使用外部工具来控制生成 Job。如下：

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: process-item-$ITEM
  labels:    
    jobgroup: jobexample
spec:
  template:
    metadata:
      name: job-example
      labels: 
        jobgroup: jobexample
    spec:
      containers:
      - name: busybox-job
        image: busybox
        command: ["sh", "-c", "echo Hello $ITEM && sleep 5"]
      restartPolicy: Never

Job 的 YAML 中，定义了 $ITEM 变量，所以在控制这中 Job 时，需要注意两个方面：

• 1. 创建 Job 时，替换掉 $ITEM 变量，为自己的信息；
• 1. 来自于同一个模板的 Job，这里都有一个 jobgroup: jobexample标签，也就是说这一组 Job 使用这样一个相同的标识。

使用 Shell 把 $ITME 替换掉

[root@master01 yaml]# mkdir ./jobs
[root@master01 yaml]# for i in qyl-1 qyl-2 qyl-3
> do
>   cat job-1.yaml | sed "s/\$ITEM/$i/g" > ./jobs/job-$i.yaml
> done

这样通过 Shell 脚本的方式，同一个 Job 模板生成了不同的 Job 的 YAML 文件

[root@master01 yaml]# ll ./jobs
total 12
-rw-r--r-- 1 root root 372 Jun 25 17:31 job-qyl-1.yaml
-rw-r--r-- 1 root root 372 Jun 25 17:31 job-qyl-2.yaml
-rw-r--r-- 1 root root 372 Jun 25 17:31 job-qyl-3.yaml
[root@master01 yaml]# kubectl apply -f ./jobs
job.batch/process-item-qyl-1 created
job.batch/process-item-qyl-2 created
job.batch/process-item-qyl-3 created
[root@master01 yaml]# kubectl get pods -l jobgroup=jobexample
NAME                       READY   STATUS      RESTARTS   AGE
process-item-qyl-1-tgr5k   0/1     Completed   0          53s
process-item-qyl-2-bftz4   0/1     Completed   0          53s
process-item-qyl-3-cgvwd   0/1     Completed   0          53s

五、CronJob

顾名思义，CronJob 描述的，是定时任务。

apiVersion: batch/v1beta1
kind: CronJob
metadata:
  name: hello
spec:
  schedule: "*/1 * * * *"
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          containers:
          - name: hello
            image: busybox
            imagePullPolicy: IfNotPresent
            args:
            - /bin/sh
            - -c
            - date; echo Hello qyl-0
          restartPolicy: OnFailure

CronJob 的 YAML 文件中，

spec.jobTemplate

字段表示的是“Job模板”，所以 CronJob 是 Job 对象的控制器。CronJob 与 Job 之间的关系就与 Deployment 和 ReplicaSet 一样的。不过它生命周期是由 schedule 字段控制的。

它也像我们 Linxu 里面的 CronTab，所以这里的 schedule 字段的格式是一个标准的 Cron 格式。*比如："/1 * * * *"**。

这个 Cron 表达式里 */1 中的 * 表示从 0 开始，/ 表示“每”，1 表示偏移量。所以，它的意思就是：从 0 开始，每 1 个时间单位执行一次。

所以，上面的 CronJob 的 YAML 文件会一分钟后创建 Job：

[root@master01 yaml]# kubectl get cronjob
NAME    SCHEDULE      SUSPEND   ACTIVE   LAST SCHEDULE   AGE
hello   */1 * * * *   False     0        26s             58s
[root@master01 yaml]# kubectl get job
NAME             COMPLETIONS   DURATION   AGE
hello-28128130   1/1           4s         27s

需要注意的是，由于定时任务的特殊性，很可能某个 Job 还没有执行完，另外一个新 Job 就产生了。这时候，你可以通过

spec.concurrencyPolicy

字段来定义具体的处理策略。比如：

• concurrencyPolicy=Allow：这也是默认情况，这意味着这些 Job 可以同时存在
• concurrencyPolicy=Forbid：这意味着不会创建新的 Pod，该创建周期被跳过；
• concurrencyPolicy=Replace：这意味着新产生的 Job 会替换旧的、没有执行完的 Job。

而如果某一次 Job 创建失败，这次创建就会被标记为“miss”。当在指定的时间窗口内，miss 的数目达到 100 时，那么 CronJob 会停止再创建这个 Job。

这个时间窗口，可以由

spec.startingDeadlineSeconds

字段指定。比如：

• startingDeadlineSeconds=200，意味着在过了 200 s 后，如果 miss 的数目达到了 100 次，那么这个 Job 就不会被创建执行了。

总结

今天，主要讲解了 Job 这种“离线业务”控制器的概率用法，并行控制的方法。

最后，解释了 CronJob 的使用，CronJob 也体现了，用一个对象控制另一个对象，是 Kubernetes 编排的精髓所在。