第 35 篇 k8s之PVC 与 StorageClass：动态存储供应

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在第 34 篇中，我们学了 emptyDir 和 hostPath。它们解决的是“Pod 内部容器间共享文件”和“访问宿主机特定路径”的问题。但一个最核心的生产需求还没有解决：Pod 重建后，数据如何保留？

如果 Redis 的 Pod 被重新调度到另一台节点上，emptyDir 和 hostPath 都无法将数据带过去。emptyDir 随 Pod 删除而销毁，hostPath 只存在于特定节点上。我们需要一种与 Pod 生命周期解耦、可在集群任意节点访问的持久化存储。

这正是 PV（PersistentVolume，持久卷）和 PVC（PersistentVolumeClaim，持久卷声明）的设计目标。在 Docker 生态中，我们通过 docker volume create 来创建命名卷，容器重启、删除都不会丢失数据。但在 K8s 集群中，管理员不可能为每个应用手动在每台节点上创建 Volume——我们需要一种自动化的动态供给机制。今天这篇，我们就从 PV/PVC 的核心概念讲起，通过贯穿案例的 Redis 持久化存储，深入理解 StorageClass 如何实现“声明即存储”。

一、PV 和 PVC 的抽象模型

1.1 为什么需要 PV 和 PVC？

在第 7 篇 Docker 数据管理中，我们创建 Volume 的命令是 docker volume create redis-data，然后在 docker run 时用 -v redis-data:/data 挂载。这种方式在单机上工作良好，但在 K8s 集群中有两个致命缺陷：

  • 不跨节点：Pod 重新调度到另一台节点时，新节点上没有这个 Volume。

  • 人工运维：管理员需要提前创建好 Volume，开发者需要知道 Volume 的具体名称和配置。

K8s 的解决方案是将存储抽象为两个独立的对象，实现管理员与开发者的职责分离：

  • PV（PersistentVolume）：集群管理员准备的存储资源，可以来自 NFS、云存储（AWS EBS、GCE PD）、本地磁盘等。PV 与 Pod 生命周期无关——Pod 被删了，PV 还在。

  • PVC（PersistentVolumeClaim）：开发者声明对存储的需求：“我需要 1Gi 空间，读写一次即可”。K8s 自动找匹配的 PV 绑定给这个 PVC。

1.2 用“租房子”来理解 PV 和 PVC

把 K8s 集群想象成一个租房市场：

  • PV 是房东已装修好的房源（一套具体的房子，位于某小区某单元），由管理员（中介）提前准备好。

  • PVC 是租客的求租需求——“我需要 50 平米、朝南的一居室”。租客不需要知道具体哪套房子，只需要描述需求。

  • K8s 的匹配引擎 是中介，自动将合适的房源（PV）匹配给租客需求（PVC）。匹配后，这套房子就归这个租客独占使用。

  • 如果租客搬走了（Pod 删除），PVC 还在，房子仍然保留（PV 保留）。新租客（重建的 Pod）可以通过同一个 PVC 继续使用同一套房子和里面的家具（数据）。

1.3 PV 的三种供给方式

在实际工作中，静态供给只适合极少数固定存储资源已知的场景（比如一个已经部署好的 NFS 服务器）。生产环境的标配是动态供给——你只需要声明“我要 1Gi 的云盘”，StorageClass 自动调用云 API 创建。

二、静态供给：理解 PV 和 PVC 的匹配机制

在进入动态供给之前，先通过一个静态供给的简单示例理解 PV 和 PVC 的绑定关系。

2.1 创建一个 PV

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: task-pv-volume
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: /mnt/data

关键字段：

  • capacity.storage: 1Gi：PV 的容量

  • accessModes: ReadWriteOnce：访问模式，单个节点读写

  • hostPath：在 Minikube 环境中使用 hostPath 模拟真实存储，生产环境会替换为云存储（如 awsElasticBlockStore）

2.2 创建一个 PVC

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: task-pvc-claim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

PVC 不指定具体 PV 名称，只声明需求：“我要 1Gi、单节点读写”。K8s 自动找到匹配的 PV 并绑定。

kubectl apply -f task-pv.yaml
kubectl apply -f task-pvc.yaml
kubectl get pvc

输出：

NAME             STATUS   VOLUME          CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
task-pvc-claim   Bound    task-pv-volume   1Gi        RWO                           30s

STATUS=Bound 表示 PVC 已成功绑定到 task-pv-volume 这个 PV。STORAGECLASS 列为空，表示这是静态供给，没有用到 StorageClass。

2.3 在 Pod 中使用 PVC

volumes:
  - name: task-storage
    persistentVolumeClaim:
      claimName: task-pvc-claim

Pod 引用 PVC，PVC 绑定 PV，PV 对应物理存储。这是三层引用链——开发者只需关心 PVC，不必知道底层存储的具体位置和类型。如果你删除了这个 Pod，重新创建时引用同一个 PVC，依然能访问到原来的数据。

2.4 访问模式

大多数数据库（MySQL、Redis）需要 RWO 模式。共享文件存储（如 NFS）可以支持 RWX 模式。如果 Pod 被调度到不同节点上，RWO 模式的 PV 将无法在新节点上挂载——这就是为什么数据库这类有状态应用需要用 StatefulSet（第 27 篇）并配合节点亲和性来管理。

三、StorageClass 与动态供给

静态供给的问题很明显：管理员需要预先创建每个 PV，开发者扩容时要找管理员创建新的 PV。当集群中有数百个应用、每个应用都需要存储时，这根本不可行。

StorageClass 解决了这个问题。它定义了一个“存储模板”：当 PVC 被创建时，StorageClass 自动调用后端存储的 API 创建 PV，并绑定给 PVC。

3.1 StorageClass 的工作原理

PVC 创建 → StorageClass → Provisioner 调用 API → 自动创建 PV → 绑定 PVC → Pod 挂载

管理员只需要创建 StorageClass 对象（一次性配置），之后开发者创建 PVC 时，PV 会自动生成。这正是“声明式存储”的核心思想——你不再需要关心 PV 是谁创建的、在哪创建的，只需要在 PVC 中声明“我要什么”。

3.2 Minikube 中的 StorageClass

Minikube 默认自带一个 StorageClass：

输出：

NAME                 PROVISIONER                RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE
standard (default)   k8s.io/minikube-hostpath   Delete          Immediate

  • (default)：集群的默认 StorageClass，PVC 不指定 storageClassName 时自动使用

  • PROVISIONER：负责实际创建存储的组件，minikube-hostpath 在宿主机上创建目录模拟真实存储

  • RECLAIMPOLICY: Delete：PVC 被删除时，PV 也被自动删除

  • VOLUMEBINDINGMODE: Immediate：PVC 创建后立即绑定 PV，不需要等待 Pod 调度

3.3 删除策略

Retain 策略适用于需要保留数据做审计或恢复的场景。但 Retain 后 PV 变为 Released 状态，不能被新的 PVC 自动绑定——需要管理员手动清除 PV 中的旧数据并重新标记为 Available。

3.4 卷绑定模式

WaitForFirstConsumer 在云环境中非常重要：如果 PVC 立即创建了可用区 A 的云盘，但 Pod 被调度到可用区 B，Pod 将无法挂载这个云盘。延迟绑定确保了存储资源始终与 Pod 在同一可用区，避免了跨可用区的存储挂载问题。

四、实战：为 Redis 配置动态持久化存储

现在把理论应用到贯穿案例中。为 Redis 创建一个使用动态供给的 PVC，确保 Redis 数据在 Pod 重建后不丢失。

4.1 创建 PVC

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: redis-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  storageClassName: standard

PVC 不指定任何具体的 PV 名称或节点路径，只声明了“我要 1Gi、RWO 模式、使用 standard StorageClass”。剩下的全部自动化——StorageClass 调用 Provisioner 创建 PV，K8s 将 PV 绑定到 PVC。

kubectl apply -f redis-pvc.yaml
kubectl get pvc
# NAME        STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
# redis-pvc   Bound    pvc-a1b2c3d4-e5f6-7890-abcd-ef1234567890   1Gi        RWO            standard       10s

4.2 部署 Redis 使用 PVC

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: redis
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: redis
  template:
    metadata:
      labels:
        app: redis
    spec:
      containers:
        - name: redis
          image: redis:alpine
          ports:
            - containerPort: 6379
          volumeMounts:
            - name: redis-data
              mountPath: /data
      volumes:
        - name: redis-data
          persistentVolumeClaim:
            claimName: redis-pvc

重要：如果使用 RWO 模式（单节点读写），请务必将 replicas 设为 1。Redis Deployment 的多个副本会创建多个 Pod，而 RWO 卷只能挂载到单个节点上——如果两个 Pod 被调度到不同节点，第二个 Pod 将无法挂载同一个 PVC，导致启动失败。多副本有状态应用应使用 StatefulSet，每个 Pod 绑定独立的 PVC。

4.3 验证持久性

# 写入数据
kubectl exec deploy/redis -- redis-cli set counter 100

# 删除 Pod（不删除 PVC）
kubectl delete pod -l app=redis

# 等待新 Pod 启动
kubectl get pods -l app=redis -w

# 验证数据仍然存在
kubectl exec deploy/redis -- redis-cli get counter
# "100"

这就是 PVC 持久化的直观体现：Pod 被删了，PV 还在，PVC 还在，数据完好无损。新 Pod 通过同一个 PVC 挂载到同一个 PV，Redis 启动时从 AOF 文件中恢复了之前的键值对。

# 查看自动创建的 PV
kubectl get pv
# NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS
# pvc-a1b2c3d4-e5f6-7890-abcd-ef1234567890   1Gi        RWO            Delete           Bound

五、对比 Docker Compose 的存储方式

Docker Compose 的命名卷适合单机场景，但在跨主机、动态供给、访问控制方面有明显的局限性。这正是 K8s PV/PVC 体系的设计价值所在。

六、PVC 扩容

PVC 支持动态扩容（需要 StorageClass 启用 allowVolumeExpansion: true）：

kubectl patch pvc redis-pvc -p '{"spec":{"resources":{"requests":{"storage":"2Gi"}}}}'
# persistentvolumeclaim/redis-pvc patched

kubectl get pvc redis-pvc -w
# 等待 CAPACITY 从 1Gi 变为 2Gi

注意：并非所有存储后端都支持扩容，且只能扩容不能缩容。云存储通常支持在线扩容，不会影响正在运行的 Pod。

七、命令速查表

八、本篇总结

  • PV 和 PVC 的关系：PV 是实际的存储资源，PVC 是应用对存储的需求声明。PVC 绑定 PV 后，Pod 通过 PVC 挂载持久化存储。这种抽象实现了管理员与开发者的职责分离。

  • StorageClass 动态供给：当 PVC 指定 StorageClass 时，系统自动调用 Provisioner 创建 PV，无需管理员预先准备存储。这是生产环境的标配。

  • 访问模式与 Pod 副本的关系：RWO 卷只能挂载到单个节点，多副本有状态应用应使用 StatefulSet（后续第 27 篇相关主题的扩展内容），每个 Pod 绑定独立的 PVC。

  • 与 Compose 的演进关系：Compose 的命名卷是单机手动模式，PVC 是集群自动化模式。思路一致（卷的生命周期独立于容器），但 K8s 在规模和自动化程度上提升了几个数量级。

通过本篇，Redis 的数据真正实现了跨 Pod 生命周期的持久化。下一篇——第 36 篇：资源管理：Requests、Limits 与 QoS，我们将学习如何限制 Pod 的 CPU 和内存使用，防止单个 Pod 过度消耗资源影响同节点的其他 Pod，让集群的资源使用更加公平和可预测。

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