第10章：K8s 数据持久化

码路工人
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第10章：K8s 数据持久化

我们已经知道，Pod 的生命周期是短暂的。它们可能因为节点故障、版本更新、或者弹性伸缩而被销毁和重建。如果我们将数据（比如数据库文件）直接存储在 Pod 的文件系统中，那么当 Pod 消失时，数据也会随之而去。

这对于无状态应用 (Stateless Application)（如我们的 my-app Web 服务器）来说没有问题，但对于有状态应用 (Stateful Application)（如数据库、消息队列等）来说是致命的。

为了在 K8s 中管理有状态应用，我们需要一种独立于 Pod生命周期的、可靠的数据持久化机制。K8s 通过一套设计精巧的 API 资源来解决这个问题：PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)。

10.1 PersistentVolume (PV) & PersistentVolumeClaim (PVC)

K8s 的存储设计，巧妙地将“存储资源的管理”和“存储资源的使用”这两个角色进行了解耦。

  • PersistentVolume (PV): 持久卷

    • 角色：集群管理员 (Administrator)
    • 是什么：PV 是集群中的一块网络存储。它可以是云服务商提供的磁盘（如 AWS EBS, GCP Persistent Disk），也可以是本地的存储设备（如 NFS）。
    • 类比：你可以把 PV 想象成是管理员在公司仓库里，提前准备好的一批“移动硬盘”。这些硬盘大小不一，性能各异。

  • PersistentVolumeClaim (PVC): 持久卷声明

    • 角色：开发者 (Developer) / 应用
    • 是什么：PVC 是用户对存储资源的一次“申请”。它描述了“我需要多大的硬盘（比如 5GB）”、“我需要什么样的读写性能（比如支持多节点读写）”等需求。
    • 类比：PVC 就像是你（开发者）填写的一张“硬盘申领单”。

工作流程 (PV 和 PVC 的绑定过程):

  1. 管理员创建一批 PV，放入集群的“资源池”中。
  2. 开发者为自己的应用创建一个 PVC，声明需要一块 5GB 的硬盘。
  3. K8s 的控制平面会像一个仓库管理员，自动在资源池里寻找能够满足这个 PVC 要求的、尚未被使用的 PV。
  4. 如果找到了一个合适的 PV（比如一块 10GB 的硬盘），K8s 就会将这个 PVC 和 PV 绑定 (Bind) 在一起。
  5. 一旦绑定，这个 PV 就被这个 PVC “独占”了，其他 PVC 不能再使用它。
  6. 最后，开发者可以将这个 PVC 像普通 Volume 一样，挂载到自己的 Pod 中使用。

这个设计的最大好处是抽象。作为开发者，你只需要关心如何申请 (PVC)，而完全不需要关心底层存储到底是什么、由谁提供。这些复杂的细节都由集群管理员通过 PV 来处理。

10.2 StorageClass：动态供给存储

手动地预先创建一堆 PV 让管理员很累。如果每次开发者提交一个 PVC，K8s 都能自动地根据 PVC 的要求，去调用云平台的 API，动态地创建一个 PV 并与之绑定，那该多好？

StorageClass 就是实现这个“动态供给 (Dynamic Provisioning)”的魔法师。

  • 是什么：StorageClass 定义了“如何创建 PV”的模板。它描述了要使用哪种存储插件（比如 aws-ebs），以及创建时需要哪些参数（比如磁盘类型是 gp2 还是 io1）。
  • 工作方式：
    1. 管理员在集群中创建一个或多个 StorageClass。
    2. 开发者在创建 PVC 时，可以指定要使用哪个 StorageClass。
    3. K8s 看到这个 PVC 后，就会找到对应的 StorageClass，并根据它的定义，自动地去创建所需的 PV，然后将 PV 和 PVC 绑定。

在大多数现代 K8s 集群（包括 Minikube 和各大云厂商的 K8s 服务）中，都会有一个默认的 StorageClass。这意味着，你甚至不需要手动创建 PV 和 StorageClass，你只需要创建 PVC，K8s 就会为你搞定剩下的一切！

10.3 [实战] 为我们的数据库 Pod 挂载持久化存储

让我们来为我们的 postgres 数据库实现数据持久化。我们将不再使用 Docker 的数据卷，而改用 K8s 的标准方式。

第一步：检查 StorageClass

在我们的 Minikube 集群中，已经有一个默认的 StorageClass 了。我们可以查看一下：

kubectl get sc
# sc 是 storageclass 的缩写

你会看到一个名为 standard (或类似名字) 的 StorageClass。

mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl get sc
NAME                 PROVISIONER                RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE   ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
standard (default)   k8s.io/minikube-hostpath   Delete          Immediate           false                  2d13h
mac@192 docker-k8s-little-book-source-code %

第二步：创建 PVC (持久卷声明)

创建一个 database-pvc.yaml 文件，来申请一块存储空间。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: postgres-pvc
spec:
  # 指定存储类别，我们可以省略，因为它会使用默认的
  # storageClassName: standard
  
  # 访问模式，定义了 PV 该如何被节点挂载
  # ReadWriteOnce (RWO): 卷可以被单个节点以读写方式挂载 (最常用)
  # ReadOnlyMany (ROX): 卷可以被多个节点以只读方式挂载
  # ReadWriteMany (RWX): 卷可以被多个节点以读写方式挂载
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  # 资源需求
  resources:
    # 声明需要 1Gi 的存储空间
    requests:
      storage: 1Gi

应用它：kubectl apply -f database-pvc.yaml

查看 PVC 和自动创建的 PV：

kubectl get pvc postgres-pvc
kubectl get pv

你会看到 PVC 的状态是 Bound，并且 K8s 已经自动为我们创建了一个对应的 PV。

mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl get pvc postgres-pvc
NAME           STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   AGE
postgres-pvc   Bound    pvc-8c250aa3-f669-4a13-848e-a60e26ad67f4   1Gi        RWO            standard       <unset>                 5h26m


mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl get pv
NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                                    STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
pvc-68eb8057-18bf-4164-9730-b6a874e2e916   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/postgres-storage-postgres-db-0   standard       <unset>                          16m
pvc-8c250aa3-f669-4a13-848e-a60e26ad67f4   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/postgres-pvc                     standard       <unset>                          5h26m

第三步：创建 StatefulSet (有状态应用部署)

对于有状态应用，我们通常不使用 Deployment，而是使用一个更适合的控制器：StatefulSet。StatefulSet 提供了 Deployment 的所有功能，此外还为 Pod 提供了稳定的、唯一的网络标识符和稳定的、持久的存储。

创建一个 database-statefulset.yaml 文件：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: postgres-db
spec:
  serviceName: "postgres"
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: postgres
  template:
    metadata:
      labels:
        app: postgres
    spec:
      containers:
      - name: postgres
        image: postgres:15-alpine
        ports:
        - containerPort: 5432
        env:
        - name: POSTGRES_PASSWORD
          value: mysecretpassword
        # 将 PVC 挂载到容器的
        # PostgreSQL 数据目录 /var/lib/postgresql/data
        volumeMounts:
        - name: postgres-storage
          mountPath: /var/lib/postgresql/data
  # 卷声明模板，StatefulSet 会根据这个模板
  # 为每个 Pod 副本创建一个对应的 PVC
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: postgres-storage
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

注意：上面的 YAML 结合了 PVC 和 StatefulSet，是更高级的用法（官方推荐，无需单独的 database-pvc.yaml 文件了）。

  • ✅ 自动化：StatefulSet 自动创建和管理 PVC
  • ✅ 可扩展：每个 Pod 副本都有独立的存储
  • ✅ 官方推荐：符合 Kubernetes 设计理念

你也可以先创建独立的 PVC，然后在 StatefulSet 的 volumes 里直接引用它：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: postgres-db
spec:
  serviceName: "postgres"
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: postgres
  template:
    metadata:
      labels:
        app: postgres
    spec:
      containers:
      - name: postgres
        image: postgres:15-alpine
        ports:
        - containerPort: 5432
        env:
        - name: POSTGRES_PASSWORD
          value: mysecretpassword
        volumeMounts:
        - name: postgres-storage
          mountPath: /var/lib/postgresql/data
      # 🔑 关键：直接引用前面创建的 PVC
      volumes:
      - name: postgres-storage
        persistentVolumeClaim:
          claimName: postgres-pvc
  • ✅ 可控性强：可以精确控制 PVC 的属性
  • ✅ 灵活性高：适合特殊存储需求
  • ❌ 需要手动管理：不适合大规模部署

第四步：创建 Service

为了让我们的 Web 应用能访问到数据库，还需要为它创建一个 Service。创建一个 database-service.yaml。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: postgres
spec:
  ports:
  - port: 5432
  selector:
    app: postgres

第五步：部署并验证

部署 StatefulSet 和 Service：

kubectl apply -f database-statefulset.yaml
kubectl apply -f database-service.yaml

现在，你可以 exec 进入 Pod，创建一些数据。然后，尝试删除这个 Pod：

# 进入 Pod 的容器内部
kubectl exec -it postgres-db-0 -- /bin/bash
# 任意创建一些数据
psql -U postgres -d postgres -c "CREATE TABLE IF NOT EXISTS test (id SERIAL PRIMARY KEY, name TEXT);"
psql -U postgres -d postgres -c "INSERT INTO test (name) VALUES ('K8s 持久化存储');"
# 查看数据
psql -U postgres -d postgres -c "SELECT * FROM test;"
# 列出所有 Pod
kubectl get pods
# 删除 Pod
kubectl delete pod postgres-db-0

StatefulSet 会立刻重建一个新的 postgres-db-0 Pod。当新 Pod 启动后，它会自动重新挂载之前由 PVC 提供的同一块持久化存储。你再次 exec 进去，会发现数据完好无损！

运行结果示例

mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl exec -it postgres-db-0 -- /bin/bash
postgres-db-0:/# psql -U postgres -d postgres -c "CREATE TABLE IF NOT EXISTS test (id SERIAL PRIMARY KEY, name TEXT);"
psql -U postgres -d postgres -c "INSERT INTO test (name) VALUES ('K8s 持久化存储');"
CREATE TABLE
INSERT 0 1
postgres-db-0:/# psql -U postgres -d postgres -c "SELECT * FROM test;"
 id |      name      
----+----------------
  1 | K8s 持久化存储
(1 row)

postgres-db-0:/# kubectl get pods
bash: kubectl: command not found
postgres-db-0:/# 
exit
command terminated with exit code 127
mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl get pods                           
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-app-deployment-5f69bcbfcd-k9tcg   1/1     Running   0          26h
my-app-deployment-5f69bcbfcd-m4878   1/1     Running   0          26h
postgres-db-0                        1/1     Running   0          8m20s
mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl delete pod postgres-db-0
pod "postgres-db-0" deleted
mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl get pods                           
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-app-deployment-5f69bcbfcd-k9tcg   1/1     Running   0          26h
my-app-deployment-5f69bcbfcd-m4878   1/1     Running   0          26h
postgres-db-0                        1/1     Running   0          13s
mac@192 docker-k8s-little-book-source-code % kubectl exec -it postgres-db-0 -- /bin/bash
postgres-db-0:/# psql -U postgres -d postgres -c "SELECT * FROM test;"
 id |      name      
----+----------------
  1 | K8s 持久化存储
(1 row)

10.4 本章小结

你已经攻克了在 K8s 中运行有状态应用的最后一道难关。

  • 本章回顾：
    • 我们理解了 PV (管理员的硬盘) 和 PVC (开发者的申请单) 之间解耦的设计哲学。
    • 我们了解了 StorageClass 是实现动态存储供给的关键。
    • 我们学会了如何为有状态应用（如数据库）创建 PVC 来申请持久化存储。
    • 我们认识了专门用于部署有状态应用的 StatefulSet 控制器。
    • 我们通过实战，成功地为一个 postgres 数据库 Pod 挂载了持久化存储，并验证了数据的持久性。

至此，K8s 篇的核心概念已经全部介绍完毕。你已经具备了在 K8s 上部署一个相对完整的、包含无状态和有状态服务的应用所需的所有理论知识。

在最后一章，我们将迎来我们的大结局——将所有学过的知识融会贯通，把我们的主线项目完整地部署到 Kubernetes 上！

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