垃圾收集机制是 Kubernetes 资源生命周期管理的核心保障，合理配置可有效防止资源泄漏与孤儿对象堆积。

Kubernetes 垃圾收集器（Garbage Collector）是集群中的重要组件，负责清理失去所有者关系的孤儿对象。掌握垃圾收集机制对于高效管理 Kubernetes 资源、避免资源泄漏至关重要。

Owner 和 Dependent 对象关系

在 Kubernetes 中，对象之间存在所有权关系。理解 Owner（所有者）与 Dependent（被拥有者）对象的关系，是掌握垃圾收集机制的基础。

常见 Owner 与 Dependent 对象关系

每个 Dependent 对象都有一个 metadata.ownerReferences 字段，指向其 Owner 对象。

ownerReference 字段结构

ownerReference 字段用于描述当前对象与其所有者（Owner）之间的关系。通过设置 ownerReference，Kubernetes 能够自动识别对象的归属关系，并在 Owner 被删除时，根据级联删除策略自动处理 Dependent 对象。这一机制极大地方便了资源的自动化管理和清理，避免了资源孤儿化和集群资源泄漏的问题。

常见场景包括 ReplicaSet 管理的 Pod、Deployment 管理的 ReplicaSet 等。理解和正确使用 ownerReference，是掌握 Kubernetes 资源生命周期管理的关键。

ownerReferences:
- apiVersion: apps/v1
  kind: ReplicaSet
  name: my-repset
  uid: d9607e19-f88f-11e6-a518-42010a800195
  controller: true
  blockOwnerDeletion: true

字段说明：

• apiVersion：Owner 对象的 API 版本
• kind：Owner 对象的类型
• name：Owner 对象的名称
• uid：Owner 对象的唯一标识符
• controller：是否为控制器管理的对象
• blockOwnerDeletion：是否阻止 Owner 对象删除

自动设置 ownerReference

Kubernetes 在以下场景自动设置 ownerReference：

• 控制器管理的对象（如 ReplicaSet、Deployment、StatefulSet、DaemonSet、Job、CronJob）
• 服务发现相关（如 Service 创建的 Endpoints、Ingress 相关资源）
• 存储相关（如 PersistentVolumeClaim 和 PersistentVolume 的关系）

实践示例

以下示例展示如何通过 ReplicaSet 观察 ownerReference 的设置。

# my-repset.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: my-repset
  namespace: default
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: gc-demo
  template:
    metadata:
      labels:
        app: gc-demo
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.25
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"

部署并查看 ownerReference：

# 创建 ReplicaSet
kubectl apply -f my-repset.yaml

# 查看 Pod 的 ownerReference
kubectl get pods -l app=gc-demo -o yaml | grep -A 8 ownerReferences

# 查看详细信息
kubectl describe pod <pod-name>

级联删除策略

删除 Owner 对象时，可以通过不同的级联删除策略控制 Dependent 对象的处理方式。常见策略包括 Background、Foreground 和 Orphan。

Background 级联删除

默认策略，适用于大多数场景。

• 执行流程：
  1. 立即删除 Owner 对象
  2. 垃圾收集器在后台异步删除 Dependent 对象
  3. Owner 对象从 API 服务器中立即移除
• 优势：删除速度快，不阻塞操作
• 适用场景：日常资源清理、快速释放资源

Foreground 级联删除

顺序删除，确保完全清理。

• 执行流程：
  1. Owner 对象进入”删除中”状态
  2. 设置 deletionTimestamp 字段
  3. 添加 foregroundDeletion finalizer
  4. 等待所有 Dependent 对象删除完成
  5. 最后删除 Owner 对象
• 特点：
  • Owner 对象在删除过程中仍可通过 API 访问
  • 确保子资源完全清理
  • 删除时间较长
• 适用场景：需要确保完全清理的关键资源

Orphan 策略

孤儿模式，保留子资源。

• 执行流程：
  1. 删除 Owner 对象
  2. 清空 Dependent 对象的 ownerReferences 字段
  3. Dependent 对象成为孤儿，继续存在
• 适用场景：
  • 需要保留子资源的场景
  • 资源迁移和重构
  • 手动管理子资源

删除策略实际操作

Kubernetes 支持通过命令行、YAML 文件和 API 方式控制删除策略。以下分别介绍具体操作方法。

使用 kubectl 命令

# 默认级联删除（Background 模式）
kubectl delete replicaset my-repset

# 显式指定 Background 模式
kubectl delete replicaset my-repset --cascade=background

# Foreground 模式
kubectl delete replicaset my-repset --cascade=foreground

# Orphan 模式
kubectl delete replicaset my-repset --cascade=orphan

使用 YAML 文件控制

# delete-options.yaml
apiVersion: v1
kind: DeleteOptions
propagationPolicy: Foreground

kubectl delete -f my-repset.yaml --delete-options=./delete-options.yaml

使用 API 直接控制

# 启动代理
kubectl proxy --port=8080 &

# Background 删除
curl -X DELETE localhost:8080/apis/apps/v1/namespaces/default/replicasets/my-repset \
  -d '{"kind":"DeleteOptions","apiVersion":"v1","propagationPolicy":"Background"}' \
  -H "Content-Type: application/json"

# Foreground 删除
curl -X DELETE localhost:8080/apis/apps/v1/namespaces/default/replicasets/my-repset \
  -d '{"kind":"DeleteOptions","apiVersion":"v1","propagationPolicy":"Foreground"}' \
  -H "Content-Type: application/json"

# Orphan 删除
curl -X DELETE localhost:8080/apis/apps/v1/namespaces/default/replicasets/my-repset \
  -d '{"kind":"DeleteOptions","apiVersion":"v1","propagationPolicy":"Orphan"}' \
  -H "Content-Type: application/json"

高级特性

Kubernetes 垃圾收集机制还支持 blockOwnerDeletion 和 Finalizers 等高级特性，进一步提升资源管理的安全性和灵活性。

blockOwnerDeletion 机制

blockOwnerDeletion 字段控制是否阻止 Owner 对象的删除，仅在 Foreground 删除模式下生效。

ownerReferences:
- apiVersion: apps/v1
  kind: ReplicaSet
  name: my-repset
  uid: d9607e19-f88f-11e6-a518-42010a800195
  controller: true
  blockOwnerDeletion: true  # 阻止 Owner 删除

• 生效条件：仅在 Foreground 删除模式下生效
• 自动设置：Kubernetes 自动为控制器管理的对象设置
• 权限控制：需要相应的 RBAC 权限

Finalizers 与垃圾收集

Finalizers 是防止对象被删除的机制，常用于资源保护和自定义清理逻辑。

metadata:
  finalizers:
  - kubernetes.io/pv-protection
  - custom-finalizer

查看和管理 finalizers：

# 查看对象的 finalizers
kubectl get pv <pv-name> -o yaml | grep -A 5 finalizers

# 移除 finalizer（谨慎操作）
kubectl patch pv <pv-name> -p '{"metadata":{"finalizers":null}}'

最佳实践

为保障集群资源的健康与安全，建议遵循以下最佳实践。

选择合适的删除策略

• 日常运维：使用 Background 删除（默认）
• 生产环境清理：使用 Foreground 删除确保完全清理
• 资源迁移：使用 Orphan 删除保留子资源
• 紧急情况：使用 Background 删除快速释放资源

监控和观察

通过以下命令监控垃圾收集器状态和对象删除情况。

# 监控垃圾收集器状态
kubectl get events --field-selector reason=SuccessfulDelete

# 查看孤儿对象
kubectl get pods --all-namespaces -o custom-columns=NAME:.metadata.name,NAMESPACE:.metadata.namespace,OWNER:.metadata.ownerReferences[0].name

# 检查长时间未删除的对象
kubectl get all --show-labels | grep deletionTimestamp

权限配置

确保垃圾收集器有足够权限，避免因权限不足导致资源无法自动清理。

# gc-rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: system:gc-controller
rules:
- apiGroups: ["*"]
  resources: ["*"]
  verbs: ["list", "watch", "delete"]

性能优化

• 批量删除：使用标签选择器批量删除相关对象
• 定期清理：定期清理孤儿对象和无用资源
• 监控指标：监控垃圾收集器的性能指标

故障排查

垃圾收集过程中可能遇到对象无法删除、删除时间过长、孤儿对象累积等问题。以下为常见问题及解决方法。

常见问题及解决方案

1. 对象无法删除

   # 检查 finalizers
   kubectl get <resource> <name> -o yaml | grep -A 5 finalizers
   
   # 检查 blockOwnerDeletion
   kubectl get <resource> <name> -o yaml | grep -A 10 ownerReferences
   

2. 删除时间过长

   # 查看删除进度
   kubectl get events --field-selector involvedObject.name=<name>
   
   # 检查 Dependent 对象状态
   kubectl get all -l <label-selector>
   

3. 孤儿对象累积

   # 查找孤儿对象
   kubectl get pods -o json | jq '.items[] | select(.metadata.ownerReferences == null)'
   
   # 清理孤儿对象
   kubectl delete pods -l <label-selector> --cascade=orphan
   

调试工具

通过以下命令辅助调试垃圾收集相关问题。

# 查看垃圾收集器日志
kubectl logs -n kube-system kube-controller-manager-<node-name> | grep garbage

# 查看对象删除历史
kubectl get events --sort-by='.lastTimestamp' | grep Delete

# 检查对象依赖关系
kubectl get <resource> <name> -o yaml | yq '.metadata.ownerReferences'

总结

Kubernetes 垃圾收集机制通过 Owner/Dependent 关系和多种级联删除策略，实现了资源的自动化清理和生命周期管理。合理配置和监控垃圾收集，有助于防止资源泄漏、提升集群稳定性，是高效运维 Kubernetes 集群的必备技能。