本文由 CNCF + Alibaba 云原生技术公开课 整理而来
理解Pod
- 容器基本概念：
容器的本质实际上是一个进程，是一个视图隔离、资源受限的进程。
容器里面 PID=1 的进程就是应用本身，这意味着管理虚拟机等于管理基础设施，管理容器等于管理应用本身，这就是不可变基础设施的一个最佳体现。
在这个前提下，Kubernetes 可以称作云时代的操作系统，以此类推，容器镜像就是这个操作系统的软件安装包。
- 真实操作系统：
在真实的操作系统中，一个程序实际上是由一组进程组成的，这里的进程实际上等同于 Linux 中的线程，这组进程共同协作并共享程序的资源。
一个程序往往是根据进程组来进行管理的，进程组在 Linux 中就等同于线程组。容器本质是一个进程，所以在 Linux 中等同于线程，如果把 Kubernetes 比作操作系统，那么 Pod就是进程组，也就是 Linux 中的线程组。
- 进程组概念：
如何将一个一组进程组成的程序在容器中运行起来？最自然的方法就是启动一个 Docker 容器，里面运行这组进程。可这样会有一个问题，容器里面 PID=1 的进程该是哪个进程？如果它是 main 进程，那么“谁”负责管理剩下的进程？
这个问题的核心在于，容器的设计本身是一种“单进程”模型，不是说容器里只能启动一个进程，由于容器的应用等于进程，所以只能管理 PID=1 的进程，其它的进程其实是一个托管状态，所以说服务应用进程本身就具有“进程管理”的能力。
因此这个程序需要具有“进程管理”的能力，或者直接把容器里面 PID=1 的进程直接改成 systemd，否则这个容器或者应用是没办法去管理很多个进程的。因为 PID=1 的进程就是应用本身，如果把 PID=1 的进程给 kill 掉，或者运行过程中死掉，那么剩下的进程的资源就无法回收了，这是一个非常严重的问题。
而如果真的把这个程序本身改成 systemd，或者在容器中运行一个 systemd ，将会导致另一个问题：管理容器就不再是管理应用本身，而是管理 systemd，那想要运行的程序的运行状态是无法得知的，这个应用是否退出、fail、或者异常等一概不知。
注意：Linux 容器的“单进程”模型，指的是容器的生命周期等同于
PID=1的进程（容器应用进程）的生命周期，而不是说容器里不能创建多进程。一般情况下，容器应用进程并不具备进程管理能力，所以通过 exec 或者 ssh 在容器里创建的其他进程，一旦异常退出（比如 ssh 终止）是很容易变成无法管理的进程的。
Pod：
在 Kubernetes 里面，Pod实际上正是 Kubernetes 抽象出来的一个可以类比为进程组的概念。
一个由一组进程组成程序，在 Kubernetes 里面，实际上会被定义为一个拥有多个容器的 Pod，每个容器中会运行一个进程。
当 Kubernetes 把程序运行起来时，它会把多个进程分别用多个容器启动起来，然后把它们定义在一个 Pod 里面，这多个容器会共享 Pod 的资源，真正在物理上存在的东西就是这多个容器，Pod 只是一个抽象概念，或者说这多个容器的组合就叫做 Pod。Pod 是 Kubernetes 分配资源的一个单位，因为里面的容器要共享这些资源，所以 Pod 也是 Kubernetes 最小的调度单位。
- 为什么
Pod必须是最小调度单位？
举个例子：
假如现在有两个容器，它们是紧密协作的，所以它们应该被部署在一个 Pod 里面。具体来说，第一个容器叫做 App，就是业务容器，它会写日志文件；
第二个容器叫做 LogCollector，它会把刚刚 App 容器写的日志文件转发到后端的 ElasticSearch 中。
两个容器的资源需求是这样的：App 容器需要 1G 内存，LogCollector 需要 0.5G 内存，而当前集群环境的可用内存是这样一个情况：
Node_A：1.25G 内存，Node_B：2G 内存。
假如说现在没有 Pod 概念，就只有两个容器，这两个容器要紧密协作、运行在一台机器上。可是，如果调度器先把 App 调度到了 Node_A 上面，接下来会怎么样呢？
这时你会发现：LogCollector 实际上是没办法调度到 Node_A 上的，因为资源不够。其实此时整个应用本身就已经出问题了，调度已经失败了，必须去重新调度。
以上就是一个非常典型的成组调度失败的例子。英文叫做：Task co-scheduling 问题，这个问题在很多项目里面都有解决方法。
比如说在 Mesos 里面，它会做一个事情，叫做资源囤积（resource hoarding）：即当所有设置了 Affinity 约束的任务都达到时，才开始统一调度，这是一个非常典型的成组调度的解法。
所以上面提到的 App 和 LogCollector 这两个容器，在 Mesos 里面，他们不会说立刻调度，而是等两个容器都提交完成，才开始统一调度。这样也会带来新的问题，首先调度效率会损失，因为需要等待。由于需要等还会有外一个情况会出现，就是产生死锁，就是互相等待的一个情况。这些机制在 Mesos 里都是需要解决的，也带来了额外的复杂度。
另一种解法是 Google 的解法。它在 Omega 系统（就是 Borg 下一代）里面，做了一个非常复杂且非常厉害的解法，叫做乐观调度。比如说：不管这些冲突的异常情况，先调度，同时设置一个非常精妙的回滚机制，这样经过冲突后，通过回滚来解决问题。这个方式相对来说要更加优雅，也更加高效，但是它的实现机制是非常复杂的。这个有很多人也能理解，就是悲观锁的设置一定比乐观锁要简单。
而在 Kubernetes 里，就直接通过 Pod 这样一个概念去解决了。因为在 Kubernetes 里，这样的一个 App 容器和 LogCollector 容器一定是属于一个 Pod ，它们在调度时必然是以一个 Pod 为单位进行调度，因此这个问题是根本不存在的。
- 理解
Pod：
Pod 里面的容器是“超亲密关系”。正常来说，有一种关系叫做亲密关系，这个亲密关系是一定可以通过调度来解决的。
比如说现在有两个 Pod，它们需要运行在同一台宿主机上，那这样就属于亲密关系，调度器一定是可以帮助去做的。但是对于超亲密关系来说，有一个问题，即它必须通过 Pod 来解决。因为如果超亲密关系赋予不了，那么整个 Pod 或者说是整个应用都无法启动。
什么叫做超亲密关系呢？大概分为以下几类：
1. 两个进程之间会发生文件交换；
2. 两个进程之间需要通过 localhost 或者说是本地的 Socket 去进行通信，这种本地通信也是超亲密关系；
3. 这两个容器或者是微服务之间，需要发生非常频繁的 RPC 调用，出于性能的考虑，也希望它们是超亲密关系；
4. 两个容器或应用，它们需要共享某些 Linux Namespace。
像以上几种关系都属于超亲密关系，它们都是在 Kubernetes 中会通过 Pod 的概念去解决的。
为什么需要 Pod，它解决了两个问题：
1. 怎么去描述超亲密关系
2. 怎么去对超亲密关系的容器或者业务去做统一调度，这是 Pod 最主要的一个诉求
Pod 的实现机制
Pod 既然是一个逻辑概念，那么在机器上它是怎么实现的呢？核心在于如何让一个 Pod 里的多个容器之间最高效的共享资源和数据。
因为容器之间原本是被 Linux namespace 和 cgroups 隔离开的，所以现在实际要解决的是怎么去打破这个隔离，然后共享资源和数据。
- 共享网络：
在 Kubernetes 中，在每个 Pod 里，会额外启动一个 pause 容器来共享 Pod 的 network namespace。
pause 容器全称 Infrastucture Container（Infra Container），其他所有容器都会加入到 pause 容器的 network namespace 中。这样一来，一个 Pod 里面的所有容器，它们看到的网络视图是完全一样的，都来自于pause 容器。
在 Pod 里面，有一个 ip 地址，是这个 Pod 的 network namespace对应的地址，也是这个 pause 容器的 ip 地址。而其他所有网络资源，都是一个 Pod 一份，并且被 Pod 中的所有容器共享，这就是 Pod 的网络实现方式。
由于有这样的一个中间容器存储，所以在 Pod中，pause 容器第一个启动，并且整个 Pod 的生命周期都等同于 pause 容器的生命周期，与 Pod 中的其他容器是无关的。这也是为什么 Kubernetes 允许单独更新 Pod 里的某一个镜像，这不会导致 Pod 重启或重建。
- 共享存储：
Pod 共享存储更为简单。其实是把 volume 变成 Pod level，然后同属于一个 Pod 的所有容器共享所有的 volume。
实质上 Pod 的每个容器是共享 pause 容器的 volume，Pod 的每个容器都可以声明挂载 volume 到自己的指定路径下，这就是 Kubernetes 通过 Pod 给容器共享存储的方法。
容器设计模式
所有设计模式的本质都是：解耦和重用。
Sidecar：
Sidecar，就是在 Pod 里面定义一些专门的容器，来执行主业务容器所需要的一些辅助工作。比如 Init Container，它会比 spec.containers 定义的用户容器先启动，并且严格按照定义的顺序依次执行。
这样一来，类似拷贝文件到主业务容器中的工作，就可以交给 Init Container 来完成，目的就是让 Pod 达到自包含的状态——无论放到哪个 Kubernetes 下都可以顺利启动起来。
通过组合两种不同角色的容器，并且按照一些像 Init Container 这样的编排方式，统一的去打包一个应用，最终把它通过 Pod 启动，这就是一种经典的容器设计模式——Sidecar。
Sidecar 的优势在于将辅助功能从主业务容器解耦，所以能够独立发布 Sidecar 容器，并且这个能力是可以重用的。
具体的辅助工作可以有这些：
1. 原本需要在容器里面执行 SSH 需要干的一些事情，可以写脚本、一些前置的条件；
2. 当然还有日志收集，日志收集本身是一个进程，那么就可以把它打包进 Pod 里面去做这个收集工作；
3. 还有就是 Debug 应用，实际上现在 Debug 整个应用都可以在应用 Pod 里面定义一个额外的 Container，它可以去 exec 应用 pod 的 namespace；
4. 查看其他容器的工作状态。不再需要去 SSH 登陆到容器里去看，只要把监控组件装到额外的 Container 就可以了，然后把它作为一个 Sidecar 启动起来，
跟主业务容器进行协作，所以同样业务监控也都可以通过 Sidecar 方式来去做。
当使用 Sidecar 模式进行日志收集时，业务容器将日志写在一个 volume 里面，而由于 volume 在 Pod 里面是被共享的，所以日志收集的容器——Sidecar 容器可以通过该 volume 直接将日志文件读取到，然后存到远端存储中。