k3s的单进程模式如何运行整个K8S服务

为了提升k3s的使用体验，我们将推出由k3s开发人员撰写的“k3s黑魔法”系列文章来详细介绍k3s功能、原理等方面的内容。本篇文章是该系列的第一篇，文章详细分析了k3s的单进程模式如何运行整个Kubernetes服务。

同时，欢迎大家添加k3s助手（微信号：k3s2019），加入官方微信群和大家一起交流。

前 言

Rancher Labs一直致力于云基础设施的建设，我们发布了很多产品Rancher1.x、Rancher2.x、RancherOS、Longhorn、Rio等来满足基础设施应用的各种场景，但这其中没有一款产品可以和k3s的发展速度相比，整个社区对它的认可超乎我们的想象。发布了仅仅10个月的k3s项目，就在Github上获得超9000颗star数，我们也正星夜兼程，争取在11月份发布1.0GA版本。我将撰写一系列文章来介绍k3s所使用的技术及其原理，尤其是这其中使用的一些黑魔法，它让k3s的体验变得无比美好。更深入更细节得了解k3s，才能将它使用好，让工具本身产生事半功倍的效用，同时也能让大家有机会一起参与k3s社区的建设。

很多人在体验k3s时，都对它的无比精简感到折服。我们都了解Kubernetes（以下简称K8s）是个非常复杂的架构，controlplane中就包括apiserver/controller-manager/scheduler等，worker中还需要有kubelet/kube-proxy，元数据还需要存储在etcd上。这些服务每一项都需要单独部署，还需要进行配置联动，尽管我们可以借用很多开源工具（比如RKE），但是部署前你还是需要准备大量镜像或者二进制文件等。k3s的部署就非常简便，它通过一个binary就可以部署上面提到的大部分服务，这也就是本文要介绍的内容，k3s的黑魔法之一“单进程k8s”。

单进程k8s分析

我们先不管具体如何实现，先来看一下单进程k8s的表面现象。我们安装一个k3s，但禁用agent，这样更有利于观察结果：

curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_EXEC="--disable-agent" sh -

这时使用kubectl是看不到node信息，但是我们能够获取namespace信息，这就说明k8s的controlplane相关服务已经启动了：

# kubectl get no
No resources found in default namespace.

# kubectl get ns
NAME              STATUS   AGE
default           Active   10s
kube-system       Active   10s
kube-public       Active   10s
kube-node-lease   Active   10s

使用ps命令观察k3s程序运行结果，下方可以看到k3s只启动了一个进程：

# ps aux | grep k3s
root      1900  2.8 40.8 564468 411436 ?       Ssl  12:01   0:21 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent

那么controlplane其他服务apiserver/scheduler/controller-manager等是如何启动的，我们查看k3s对应的thread：

# ps -T 1900
PID  SPID TTY      STAT   TIME COMMAND
1900  1900 ?        Ssl    0:01 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1910 ?        Ssl    0:06 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1911 ?        Ssl    0:01 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1912 ?        Ssl    0:00 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1916 ?        Ssl    0:00 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1917 ?        Ssl    0:06 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1918 ?        Ssl    0:10 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1948 ?        Ssl    0:06 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent
1900  1957 ?        Ssl    0:00 /usr/local/bin/k3s server --disable-agent

我们知道k3s是纯粹Golang实现的，而Golang通常并不会直接使用thread，一般是通过goroutine来使用系统的thread，分析源码中k3s server的实现，可以看到api-server/scheduler等服务确实是goroutine来启动的：

# https://github.com/rancher/k3s/blob/master/pkg/daemons/control/server.go

---------
go func() {
logrus.Infof("Running kube-scheduler %s", config.ArgString(args))
logrus.Fatalf("scheduler exited: %v", command.Execute())
}()
---------

---------
go func() {
logrus.Infof("Running kube-apiserver %s", config.ArgString(args))
logrus.Fatalf("apiserver exited: %v", command.Execute())
}()
startupConfig := <-app.StartupConfig
return startupConfig.Authenticator, startupConfig.Handler, nil
---------

以kube-apiserver为例，在k3s server的thread中执行它，还需另外两项工作：

1. 在k3s中引入kube-apiserver代码，并将其编译到k3s binary中，这部分在源码中的go.mod中有所体现

2. 由于是在thread中执行，所以k3s不能执行apiserver的main函数，这部分在上面提到server.go源码中也有体现

k3s server的goroutine除了刚才提到的controlplane相关服务外，还包括默认内置运行的flannel/ingress controller，更有一些k3s扩展的一些高级controller，这部分我们会以单独的文章进行分析。

以上内容，我们只是在单独的k3s server层面分析，一旦我们加入一个节点作为worker，那么worker节点上会怎样的展现？

curl -sfL https://get.k3s.io | K3S_URL=https://myserver:6443 K3S_TOKEN=XXX sh -

我们依然按照上面的思路，先看一下worker节点上k3s相关的进程和线程情况：

# ps aux | grep k3s
root      1949  0.8 12.2 220060 123648 ?       Ssl  13:12   1:03 /usr/local/bin/k3s agent
root      1967  0.3 13.0 220932 131340 ?       Sl   13:13   0:23 containerd -c /var/lib/rancher/k3s/agent/etc/containerd/config.toml -a /run/k3s/containerd/containerd.sock --state /run/k3s/containerd --root /var/lib/rancher/k3s/agent/containerd

# ps -T 1949
PID  SPID TTY      STAT   TIME COMMAND
1949  1949 ?        Ssl    0:01 /usr/local/bin/k3s agent
1949  1954 ?        Ssl    0:06 /usr/local/bin/k3s agent
1949  1955 ?        Ssl    0:00 /usr/local/bin/k3s agent
1949  1956 ?        Ssl    0:00 /usr/local/bin/k3s agent
1949  1960 ?        Ssl    0:00 /usr/local/bin/k3s agent
1949  1961 ?        Ssl    0:14 /usr/local/bin/k3s agent
...

worker节点的kubelet和kube-proxy的运行方式与k3s server上运行api-server/scheduler等服务的方式是一样的，也包括agent上flannel和tunnel proxy等服务，都是通过goroutine调用，并在操作系统上以thread方式运行。而worker节点中，有一个特立独行的存在就是containerd（如果你还是喜欢使用docker，请忽略以下内容），containerd是作为一个k3s agent的子进程来运行。

containerd因为有其特殊性，它会为每个容器创建单独的containerd-shim进程为容器提供运行时支持，正因为这样containerd本身必须是进程级别的，它可以拥有独立的上下文，进而提供容器管理能力。较新版本的k3s，已经使用了containerd-shim-runc-v2来运行容器，这种模式对k8s的Pod更加友好，早期containerd-shim v1版本，pod的pause容器需要单独运行一个containerd-shim进程，v2版本可以把Pod内的容器都放在一个containerd-shim进程下运行，Pod内每个容器会成为这个containerd-shim的子进程。比如coredns Pod对应的containerd-shim进程Pid是2325，那么它的两个子进程分别是coredns本身和pause容器服务：

# pstree -p -aT 2325
containerd-shim,2325 -namespace k8s.io -id 5aad2ea4d09f997baab6a0343dfb10abd86971601bae29200e39cffb5709b938-a
├─coredns,2598 -conf /etc/coredns/Corefile
└─pause,2392

后 记

本文向大家分析了k3s这种单进程模式如何运行整个k8s服务，相当于我们对k3s的原理有了一个基本了解。然而，k3s仍然有很多未解之谜，agent和server如何通信组建集群？k3s内置的rootfs起到什么作用？k3s内置的CLI工具如何使用？k3s如何实现使用sqllite/mysql来代替etcd等等，这些问题我们会在后续文章中一一解答。

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