作者 | 陈显鹭??阿里巴巴高级技术专家
本文整理自《CNCF x Alibaba 云原生技术公开课》第 23 讲，点击“阅读原文”直达课程页面。
关注“阿里巴巴云原生”公众号，回复关键词“入门”，即可下载从零入门 K8s 系列文章 PPT。
导读：在 Kubernetes 里面， API 编程范式也就是 Custom Resources Definition(CRD)。我们常讲的 CRD，其实指的就是用户自定义资源。为什么会存在用户自定义资源问题呢？本文将会从其需求来源出发，对此概念进行逐步深入的讲解。
一、需求来源
首先我们先来看一下 API 编程范式的需求来源。
在 Kubernetes 里面， API 编程范式也就是 Custom Resources Definition(CRD)。我们常讲的 CRD，其实指的就是用户自定义资源。
为什么会有用户自定义资源问题呢？
随着 Kubernetes 使用的越来越多，用户自定义资源的需求也会越来越多。而 Kubernetes 提供的聚合各个子资源的功能，已经不能满足日益增长的广泛需求了。用户希望提供一种用户自定义的资源，把各个子资源全部聚合起来。但 Kubernetes 原生资源的扩展和使用比较复杂，因此诞生了用户自定义资源这么一个功能。
二、用例解读
CRD 的一个实例
我们首先具体地介绍一下 CRD 是什么。
CRD 功能是在 Kubernetes 1.7 版本被引入的，用户可以根据自己的需求添加自定义的 Kubernetes 对象资源。值得注意的是，这里用户自己添加的 Kubernetes 对象资源都是 native 的、都是一等公民，和 Kubernetes 中自带的、原生的那些 Pod、Deployment 是同样的对象资源。在 Kubernetes 的 API Server 看来，它们都是存在于 etcd 中的一等资源。
同时，自定义资源和原生内置的资源一样，都可以用 kubectl 来去创建、查看，也享有 RBAC、安全功能。用户可以开发自定义控制器来感知或者操作自定义资源的变化。
下面我们来看一个简单的 CRD 实例。下图是一个 CRD 的定义。
首先最上面的 apiVersion 就是指 CRD 的一个 apiVersion 声明，声明它是一个 CRD 的需求或者说定义的 Schema。
kind 就是?CustomResourcesDefinition，指 CRD。name 是一个用户自定义资源中自己自定义的一个名字。一般我们建议使用“*域名.xxx.APIGroup”这样的格式，比如这里就是 foos.samplecontroller.k8s.io。
spec 用于指定该 CRD 的 group、version。比如在创建 Pod 或者 Deployment 时，它的 group 可能为 apps/v1 或者 apps/v1beta1 之类，这里我们也同样需要去定义 CRD 的 group。
- 图中的 group 为 samplecontroller.k8s.io；
- verison 为 v1alpha1；
- names 指的是它的 kind 是什么，比如 Deployment 的 kind 就是 Deployment，Pod 的 kind 就是 Pod，这里的 kind 被定义为了 Foo；
- plural 字段就是一个昵称，比如当一些字段或者一些资源的名字比较长时，可以用该字段自定义一些昵称来简化它的长度；
- scope 字段表明该 CRD 是否被命名空间管理。比如 ClusterRoleBinding 就是 Cluster 级别的。再比如 Pod、Deployment 可以被创建到不同的命名空间里，那么它们的 scope 就是 Namespaced 的。这里的 CRD 就是 Namespaced 的。
下图就是上图所定义的 CRD 的一个实例。
- 它的 apiVersion 就是我们刚才所定义的 samplecontroller.k8s.io/v1alpha1；
- kind 就是 Foo；
- metadata 的 name 就是我们这个例子的名字；
- 这个实例中 spec 字段其实没有在 CRD 的 Schema 中定义，我们可以在 spec 中根据自己的需求来写一写，格式就是 key:value 这种格式，比如图中的 deploymentName: example-foo, replicas: 1。当然我们也可以去做一些检验或者状态资源去定义 spec 中到底包含什么。
带有校验的 CRD
我们来看一个包含校验的 CRD 定义：
可以看到这个定义更加复杂了，validation 之前的字段我们就不再赘述了，单独看校验这一段。
它首先是一个 openAPIV3Schema 的定义，spec 中则定义了有哪些资源，以 replicas 为例，这里将 replicas 定义为一个 integer 的资源，最小值为 1，最大值是 10。那么，当我们再次使用这个 CRD 的时候，如果我们给出的 replicas 不是 int 值，或者去写一个 -1，或者大于 10 的值，这个 CRD 对象就不会被提交到 API Server，API Server 会直接报错，告诉你不满足所定义的参数条件。
带有状态字段的 CRD
再来看一下带有状态字段的 CRD 定义。
我们在使用一些 Deployment 或 Pod 的时候，部署完成之后可能要去查看当前部署的状态、是否更新等等。这些都是通过增加状态字段来实现的。另外，Kubernetes 在 1.12 版本之前，还没有状态字段。
状态实际上是一个自定义资源的子资源，它的好处在于，对该字段的更新并不会触发 Deployment 或 Pod 的重新部署。我们知道对于某些 Deployment 和 Pod，只要修改了某些 spec，它就会重新创建一个新的 Deployment 或者 Pod 出来。但是状态资源并不会被重新创建，它只是用来回应当前 Pod 的整个状态。上图中的 CRD 声明中它的子资源的状态非常简单，就是一个 key:value 的格式。在 "{}" 里写什么，都是自定义的。
以一个 Deployment 的状态字段为例，它包含 availableReplicas、当前的状态（比如更新到第几个版本了、上一个版本是什么时候）等等这些信息。在用户自定义 CRD 的时候，也可以进行一些复杂的操作来告诉别的用户它当前的状态如何。
三、操作演示
下面我们来具体演示一下 CRD。
我们这里有两个资源：crd.yaml 和 example-foo.yaml。
首先创建一下这个 CRD 的 Schema 让我们的 Kubernetes Server 知道该 CRD 到底是什么样的。创建的方式非常简单，就是 "kuberctl create -f crd.yaml"。
通过 "kuberctl get crd" 可以看到刚才的 CRD 已经被创建成功了。
这个时候我们就可以去创建对应的资源 "kuberctl create -f example-foo.yaml"：
下面来看一下它里面到底有什么东西 "kubectl get foo example-foo -o yaml" :
可以看到它是一个 Foo 的资源，spec 就是我们刚才所定义的，被选中的部分是基本上所有的 Kubernetes 的 metadata 资源中都会有的。因此，创建该资源和我们正常创建一个 Pod 的区别并不大，但是这个资源不是一个 Pod，也不是 Kubernetes 本身内置的资源，这就是一个我们自己创建的资源。从使用方式和使用体验上来说，和 Kubernetes 内置资源的使用几乎一致。
四、架构设计
控制器概览
只定义一个 CRD 其实没有什么作用，它只会被 API Server 简单地计入到 etcd 中。如何依据这个 CRD 定义的资源和 Schema 来做一些复杂的操作，则是由 Controller，也就是控制器来实现的。
?
Controller 其实是 Kubernetes 提供的一种可插拔式的方法来扩展或者控制声明式的 Kubernetes 资源。它是 Kubernetes 的大脑，负责大部分资源的控制操作。以 Deployment 为例，它就是通过 kube-controller-manager 来部署的。
比如说声明一个 Deployment 有 replicas、有 2 个 Pod，那么 kube-controller-manager 在观察 etcd 时接收到了该请求之后，就会去创建两个对应的 Pod 的副本，并且它会去实时地观察着这些 Pod 的状态，如果这些 Pod 发生变化了、回滚了、失败了、重启了等等，它都会去做一些对应的操作。
所以 Controller 才是控制整个 Kubernetes 资源最终表现出来的状态的大脑。
用户声明完成 CRD 之后，也需要创建一个控制器来完成对应的目标。比如之前的 Foo，它希望去创建一个 Deployment，replicas 为 1，这就需要我们创建一个控制器用于创建对应的 Deployment 才能真正实现 CRD 的功能。
控制器工作流程概览
这里以 kube-controller-manager 为例。
如上图所示，左侧是一个 Informer，它的机制就是通过去 watch kube-apiserver，而 kube-apiserver 会去监督所有 etcd 中资源的创建、更新与删除。Informer 主要有两个方法：一个是 ListFunc；一个是 WatchFunc。
- ListFunc 就是像 "kuberctl get pods" 这类操作，把当前所有的资源都列出来；
- WatchFunc 会和 apiserver 建立一个长链接，一旦有一个新的对象提交上去之后，apiserver 就会反向推送回来，告诉 Informer 有一个新的对象创建或者更新等操作。
Informer 接收到了对象的需求之后，就会调用对应的函数（比如图中的三个函数 AddFunc, UpdateFunc 以及 DeleteFunc），并将其按照 key 值的格式放到一个队列中去，key 值的命名规则就是 "namespace/name"，name 就是对应的资源的名字。比如我们刚才所说的在 default 的 namespace 中创建一个 foo 类型的资源，那么它的 key 值就是 "default/example-foo"。Controller 从队列中拿到一个对象之后，就会去做相应的操作。
下图就是控制器的工作流程。
首先，通过 kube-apiserver 来推送事件，比如 Added, Updated, Deleted；然后进入到 Controller 的 ListAndWatch() 循环中；ListAndWatch 中有一个先入先出的队列，在操作的时候就将其 Pop() 出来；然后去找对应的 Handler。Handler 会将其交给对应的函数（比如 Add(), Update(), Delete()）。
一个函数一般会有多个 Worker。多个 Worker 的意思是说比如同时有好几个对象进来，那么这个 Controller 可能会同时启动五个、十个这样的 Worker 来并行地执行，每个 Worker 可以处理不同的对象实例。
工作完成之后，即把对应的对象创建出来之后，就把这个 key 丢掉，代表已经处理完成。如果处理过程中有什么问题，就直接报错，打出一个事件来，再把这个 key 重新放回到队列中，下一个 Worker 就可以接收过来继续进行相同的处理。
五、本文总结
本文的主要内容就到此为止了，这里为大家简单总结一下：
- CRD 是 Custom Resources Definition 的缩写，也就是用户自定义资源，用户可以使用这个功能扩展自己的Kubernetes 原生资源信息；
- CRD 和普通的 Kubernetes 资源一样，都可以受 RBAC 权限控制,并且支持 status 状态字段；
- CRD-controller 也就是 CRD 控制器，能够实现用户自行编写，并且解析 CRD 并把它变成用户期望的状态。
“阿里巴巴云原生关注微服务、Serverless、容器、Service Mesh 等技术领域、聚焦云原生流行技术趋势、云原生大规模的落地实践，做最懂云原生开发者的技术圈。”