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StatefulSet 控制器为 Kubernetes 有状态应用提供了稳定标识、持久存储和有序部署，是数据库、消息队列等关键服务高可用的基础保障。

StatefulSet 是 Kubernetes 中专门用于管理有状态应用的控制器。与 Deployment 和 ReplicaSet 为无状态服务设计不同，StatefulSet 为 Pod 提供唯一标识，并保证部署和扩缩容的有序性。

应用场景

StatefulSet 主要解决有状态服务的问题，其典型应用场景包括：

核心组件

StatefulSet 由以下几个关键部分组成：

DNS 命名规则

StatefulSet 中每个 Pod 的 DNS 格式如下，便于集群内服务发现和通信：

<statefulSetName>-<ordinal>.<serviceName>.<namespace>.svc.cluster.local

其中：

适用条件

StatefulSet 适用于具有以下一个或多个需求的应用：

如果应用不需要稳定的标识符或有序部署，建议使用 Deployment 或 ReplicaSet。

使用限制

基础示例

以下 YAML 示例展示了一个典型的 nginx StatefulSet 配置方式：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 10
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.20
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "fast-ssd"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

Pod 身份管理

StatefulSet 通过序数和 DNS 规则为每个 Pod 提供唯一身份，便于服务发现和数据隔离。

序数标识

对于有 N 个副本的 StatefulSet，每个副本都有一个唯一的整数序数，范围在 [0,N) 之间。

稳定的网络标识

每个 Pod 的主机名遵循 $(statefulset 名称)-$(序数) 的模式。上述示例将创建名为 web-0、web-1、web-2 的 Pod。

DNS 解析示例：

StatefulSet Pod DNS 解析示例

集群域 Service StatefulSet Pod DNS Pod 主机名
cluster.local default/nginx default/web web-{0..N-1}.nginx.default.svc.cluster.local web-{0..N-1}

稳定存储

Kubernetes 会为每个 VolumeClaimTemplate 创建 PersistentVolume。Pod 重新调度时，volumeMounts 会挂载对应的 PersistentVolume。需要注意的是，删除 Pod 或 StatefulSet 时，PersistentVolume 不会被自动删除。

部署和扩缩容保证

StatefulSet 在部署和扩缩容过程中，严格保证 Pod 的有序性和依赖关系。

Pod 管理策略

StatefulSet 支持两种 Pod 管理策略，适应不同业务场景。

OrderedReady（默认）

按序启动和终止 Pod，确保前一个 Pod 就绪后再启动下一个。

Parallel

并行启动和终止所有 Pod，不等待其他 Pod 状态。

spec:
  podManagementPolicy: "Parallel"

更新策略

StatefulSet 支持多种更新策略，满足不同的升级需求。

OnDelete

手动删除 Pod 后才会重新创建新版本的 Pod。

spec:
  updateStrategy:
    type: OnDelete

RollingUpdate（推荐）

自动滚动更新，按序数从大到小更新 Pod。

spec:
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      partition: 0

分区更新

通过设置 partition 参数可以实现分段更新：

spec:
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      partition: 2  # 只更新序数 >= 2 的 Pod

实际操作示例

以下命令展示了 StatefulSet 的常用运维操作。

部署 StatefulSet

# 创建 StatefulSet
kubectl apply -f web.yaml

# 查看 Service 和 StatefulSet
kubectl get service nginx
kubectl get statefulset web

# 查看自动创建的 PVC
kubectl get pvc

# 查看 Pod 状态
kubectl get pods -l app=nginx

基本运维操作

# 扩容到 5 个副本
kubectl scale statefulset web --replicas=5

# 缩容到 3 个副本
kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"replicas":3}}'

# 更新镜像
kubectl patch statefulset web --type='json' \
  -p='[{"op": "replace", "path": "/spec/template/spec/containers/0/image", "value":"nginx:1.21"}]'

# 删除 StatefulSet（保留 PVC）
kubectl delete statefulset web

# 删除 Service
kubectl delete service nginx

# 清理 PVC（可选）
kubectl delete pvc www-web-0 www-web-1 www-web-2

DNS 验证

# 创建测试 Pod 验证 DNS 解析
kubectl run dns-test --image=busybox:1.28 --rm -it --restart=Never -- nslookup web-0.nginx.default.svc.cluster.local

高级示例：ZooKeeper 集群

以下 YAML 示例展示了生产级 ZooKeeper StatefulSet 的配置方式：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: zk-headless
  labels:
    app: zookeeper
spec:
  ports:
  - port: 2888
    name: server
  - port: 3888
    name: leader-election
  clusterIP: None
  selector:
    app: zookeeper
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: zk
spec:
  serviceName: zk-headless
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: zookeeper
  template:
    metadata:
      labels:
        app: zookeeper
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - zookeeper
            topologyKey: kubernetes.io/hostname
      containers:
      - name: zookeeper
        image: zookeeper:3.7
        ports:
        - containerPort: 2181
          name: client
        - containerPort: 2888
          name: server
        - containerPort: 3888
          name: leader-election
        env:
        - name: ZK_REPLICAS
          value: "3"
        - name: ZK_HEAP_SIZE
          value: "1G"
        - name: ZK_CLIENT_PORT
          value: "2181"
        - name: ZK_SERVER_PORT
          value: "2888"
        - name: ZK_ELECTION_PORT
          value: "3888"
        readinessProbe:
          exec:
            command:
            - sh
            - -c
            - "echo ruok | nc localhost 2181 | grep imok"
          initialDelaySeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
        livenessProbe:
          exec:
            command:
            - sh
            - -c
            - "echo ruok | nc localhost 2181 | grep imok"
          initialDelaySeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
        volumeMounts:
        - name: datadir
          mountPath: /data
      securityContext:
        runAsUser: 1000
        fsGroup: 1000
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: datadir
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "fast-ssd"
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

外部访问

对于需要从集群外部访问 StatefulSet 中特定 Pod 的场景，可以通过以下方式实现。

方法一：NodePort Service

# 为特定 Pod 添加标签
kubectl label pod zk-0 instance=zk-0
kubectl label pod zk-1 instance=zk-1

# 暴露为 NodePort 服务
kubectl expose pod zk-0 --port=2181 --target-port=2181 \
  --name=zk-0-external --selector=instance=zk-0 --type=NodePort

kubectl expose pod zk-1 --port=2181 --target-port=2181 \
  --name=zk-1-external --selector=instance=zk-1 --type=NodePort

方法二：LoadBalancer Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: zk-0-lb
spec:
  type: LoadBalancer
  ports:
  - port: 2181
    targetPort: 2181
  selector:
    statefulset.kubernetes.io/pod-name: zk-0

最佳实践

在生产环境中，建议遵循以下最佳实践以提升有状态服务的可靠性和可维护性。

故障排查

常见问题及解决方案如下：

总结

StatefulSet 是 Kubernetes 管理有状态应用的核心控制器，提供稳定标识、持久存储和有序部署等能力。通过合理配置 Headless Service、PVC、Pod 管理策略和更新策略，可以高效支撑数据库、消息队列等关键业务场景。建议结合最佳实践和监控体系，持续优化有状态服务的高可用性和可维护性。

参考文献


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