源码分析：KEDA是如何工作的?

文章中源码是基于KEDA 2.0( 50bec80)来进行分析

keda 2.0 要求k8s集群版本 >=1.16

KEDA 在2020年11月4号release了2.0版本，包含了一些新的比较有用的特性，比如ScaledObject/ScaledJob中支持多触发器、支持HPA原始的CPU、Memory scaler等。

具体的安装使用请参考上一篇文章使用keda完成基于事件的弹性伸缩，这篇文章主要深入的看下KEDA内部机制以及是如何工作的。

我们先提出几个问题，带着问题去看代码，方便我们理解整个机制：

  • KEDA是如何获取到多种事件的指标，以及如何判断扩缩容的？
  • KEDA是如何做到将应用的副本数缩容0，依据是什么？

代码结构

对一些主要目录说明，其他一些MD文件主要是文字说明：

├── BRANDING.md
├── BUILD.md    //如何在本地编译和运行
├── CHANGELOG.md
├── CONTRIBUTING.md   //如何参与贡献次项目
├── CREATE-NEW-SCALER.md
├── Dockerfile
├── Dockerfile.adapter
├── GOVERNANCE.md
├── LICENSE
├── MAINTAINERS.md
├── Makefile    // 构建编译相关命令
├── PROJECT
├── README.md
├── RELEASE-PROCESS.MD
├── adapter  // keda-metrics-apiserver 组件入口
├── api // 自定义资源定义，例如ScaledObject的定义
├── bin 
├── config //组件yaml资源，通过kustomization工具生成
├── controllers //kubebuilder 中controller 代码控制crd资源
├── go.mod
├── go.sum
├── hack
├── images
├── main.go //keda-operator  controller入口
├── pkg   //包含组件核心代码实现
├── tests //e2e测试
├── tools  
├── vendor
└── version

keda中主要是两个组件keda-operator以及keda-metrics-apiserver。

  • keda-operator ： 负责创建/更新HPA以及通过Loop控制应用副本数
  • keda-metrics-apiserver：实现external-metrics接口，以对接给HPA的external类型的指标查询（比如各种prometheus指标，mysql等）

keda-operator

项目中用到了kubebuilder SDK，用来完成这个Operator的编写。

对于k8s中的自定义controller不了解的可以看看这边文章：如何在Kubernetes中创建一个自定义Controller?。

keda controller的主要流程，画了幅图： keda-controller 分析流程

组件启动入口在于main.go文件中：

通过controller-runtime组件启动两个自定义controller：ScaledObjectReconciler,ScaledJobReconciler:

mgr, err := ctrl.NewManager(ctrl.GetConfigOrDie(), ctrl.Options{
        Scheme:                 scheme,
        MetricsBindAddress:     metricsAddr,
        HealthProbeBindAddress: ":8081",
        Port:                   9443,
        LeaderElection:         enableLeaderElection,
        LeaderElectionID:       "operator.keda.sh",
    })
...

// Add readiness probe 
err = mgr.AddReadyzCheck("ready-ping", healthz.Ping)
...
// Add liveness probe
err = mgr.AddHealthzCheck("health-ping", healthz.Ping)
....
//注册 ScaledObject 处理的controller
if err = (&controllers.ScaledObjectReconciler{
    Client: mgr.GetClient(),
    Log:    ctrl.Log.WithName("controllers").WithName("ScaledObject"),
    Scheme: mgr.GetScheme(),
}).SetupWithManager(mgr); err != nil {
    setupLog.Error(err, "unable to create controller", "controller", "ScaledObject")
    os.Exit(1)
}
////注册 ScaledJob 处理的controller
if err = (&controllers.ScaledJobReconciler{
    Client: mgr.GetClient(),
    Log:    ctrl.Log.WithName("controllers").WithName("ScaledJob"),
    Scheme: mgr.GetScheme(),
}).SetupWithManager(mgr); err != nil {
    setupLog.Error(err, "unable to create controller", "controller", "ScaledJob")
    os.Exit(1)
}

if err := mgr.Start(ctrl.SetupSignalHandler()); err != nil {
    setupLog.Error(err, "problem running manager")
    os.Exit(1)
}

ScaledObjectReconciler 处理

我们主要关注Reconcile方法，当ScaledObject发生变化时将会触发该方法： 方法内部主要功能实现：

...
// 处理删除ScaledObject的情况
if scaledObject.GetDeletionTimestamp() != nil {
      //进入垃圾回收（比如停止goroutine中Loop，恢复原有副本数）
    return ctrl.Result{}, r.finalizeScaledObject(reqLogger, scaledObject)
}

// 给ScaledObject资源加上Finalizer：finalizer.keda.sh
if err := r.ensureFinalizer(reqLogger, scaledObject); err != nil {
    return ctrl.Result{}, err
}
...


// 真正处理ScaledObject资源
msg, err := r.reconcileScaledObject(reqLogger, scaledObject)
// 设置Status字段说明
conditions := scaledObject.Status.Conditions.DeepCopy()
if err != nil {
    reqLogger.Error(err, msg)
    conditions.SetReadyCondition(metav1.ConditionFalse, "ScaledObjectCheckFailed", msg)
    conditions.SetActiveCondition(metav1.ConditionUnknown, "UnkownState", "ScaledObject check failed")
} else {
    reqLogger.V(1).Info(msg)
    conditions.SetReadyCondition(metav1.ConditionTrue, "ScaledObjectReady", msg)
}
kedacontrollerutil.SetStatusConditions(r.Client, reqLogger, scaledObject, &conditions)
return ctrl.Result{}, err

r.reconcileScaledObject方法：

这个方法中主要两个动作：

  • ensureHPAForScaledObjectExists创建HPA资源
  • 进入requestScaleLoop（不断的检测scaler 是否active，进行副本数的修改）

ensureHPAForScaledObjectExists

通过跟踪进入到newHPAForScaledObject方法:

scaledObjectMetricSpecs, err := r.getScaledObjectMetricSpecs(logger, scaledObject)
...省略代码

hpa := &autoscalingv2beta2.HorizontalPodAutoscaler{
    Spec: autoscalingv2beta2.HorizontalPodAutoscalerSpec{
        MinReplicas: getHPAMinReplicas(scaledObject),
        MaxReplicas: getHPAMaxReplicas(scaledObject),
        Metrics:     scaledObjectMetricSpecs,
        Behavior:    behavior,
        ScaleTargetRef: autoscalingv2beta2.CrossVersionObjectReference{
            Name:       scaledObject.Spec.ScaleTargetRef.Name,
            Kind:       gvkr.Kind,
            APIVersion: gvkr.GroupVersion().String(),
        }},
    ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
        Name:      getHPAName(scaledObject),
        Namespace: scaledObject.Namespace,
        Labels:    labels,
    },
    TypeMeta: metav1.TypeMeta{
        APIVersion: "v2beta2",
    },
}

可以看到创建ScalerObject其实最终也是创建了HPA，其实还是通过HPA本身的特性来控制应用的弹性伸缩。

其中getScaledObjectMetricSpecs方法中就是获取到triggers中的metrics指标。

这里有区分一下External的metrics和resource metrics，因为CPU/Memory scaler是通过resource metrics 来获取的。

requestScaleLoop

requestScaleLoop方法中用来循环check Scaler中的IsActive状态并作出对应的处理，比如修改副本数，直接来看最终的处理吧： 这里有两种模型来触发RequestScale：

  • Pull模型：即主动的调用scaler 中的IsActive方法
  • Push模型：由Scaler来触发，PushScaler多了一个Run方法，通过channel传入active状态。

IsActive是由Scaler实现的，比如对于prometheus来说，可能指标为0则为false

这个具体的scaler实现后续再讲，我们来看看RequestScale做了什么事：

//当前副本数为0，并是所有scaler属于active状态，则修改副本数为MinReplicaCount 或 1
if currentScale.Spec.Replicas == 0 && isActive {
    e.scaleFromZero(ctx, logger, scaledObject, currentScale)
} else if !isActive &&
    currentScale.Spec.Replicas > 0 &&
    (scaledObject.Spec.MinReplicaCount == nil || *scaledObject.Spec.MinReplicaCount == 0) {
   // 所有scaler都处理not active状态，并且当前副本数大于0，且MinReplicaCount设定为0
   // 则缩容副本数为0
    e.scaleToZero(ctx, logger, scaledObject, currentScale)
} else if !isActive &&
    scaledObject.Spec.MinReplicaCount != nil &&
    currentScale.Spec.Replicas < *scaledObject.Spec.MinReplicaCount {
  // 所有scaler都处理not active状态，并且当前副本数小于MinReplicaCount，则修改为MinReplicaCount
    currentScale.Spec.Replicas = *scaledObject.Spec.MinReplicaCount

    err := e.updateScaleOnScaleTarget(ctx, scaledObject, currentScale)
    ....
} else if isActive {
//  处理active状态，并且副本数大于0，则更新LastActiveTime
    e.updateLastActiveTime(ctx, logger, scaledObject)
} else {
// 不处理
    logger.V(1).Info("ScaleTarget no change")
}

ScaledJobReconciler 处理

ScaledJobReconciler相比ScalerObject少了创建HPA的步骤，其余的步骤主要是通过checkScaledJobScalers，RequestJobScale两个方法来判断Job创建：

  • checkScaledJobScalers 方法，用于计算isActive，maxValue的值
  • RequestJobScale 方法，用于负责创建Job，里面还涉及到三种扩容策略

这里直接看代码吧，不贴代码了。

如何停止Loop

这里有个问题就是startPushScalers和startScaleLoop都是在Goroutine中处理的，所以当ScaleObject/ScalerJob被删除的时候，这里需要能够被删除，这里就用到了context.Cancel方法，在Goroutine启动的时候就将，context保存在scaleLoopContexts *sync.Map中(如果已经有了，就先Cancel一次)，在删除资源的时候，进行删除:

func (h *scaleHandler) DeleteScalableObject(scalableObject interface{}) error {
    withTriggers, err := asDuckWithTriggers(scalableObject)
    if err != nil {
        h.logger.Error(err, "error duck typing object into withTrigger")
        return err
    }

    key := generateKey(withTriggers)

    result, ok := h.scaleLoopContexts.Load(key)
    if ok {
        cancel, ok := result.(context.CancelFunc)
        if ok {
            cancel()
        }
        h.scaleLoopContexts.Delete(key)
    } else {
        h.logger.V(1).Info("ScaleObject was not found in controller cache", "key", key)
    }

    return nil
}

ps: 这里的妙啊，学到了

keda-metrics-apiserver

keda-metrics-apiserver实现了ExternalMetricsProvider接口：

 type ExternalMetricsProvider interface {
    GetExternalMetric(namespace string, metricSelector labels.Selector, info ExternalMetricInfo) (*external_metrics.ExternalMetricValueList, error)

    ListAllExternalMetrics() []ExternalMetricInfo
}
  • GetExternalMetric 用于返回Scaler的指标，调用scaler.GetMetrics方法
  • ListAllExternalMetrics 返回所有支持的external metrics，例如prometheus，mysql等

当代码写好之后，再通过apiservice注册到apiservier上(当然还涉及到鉴权，这里不啰嗦了)：

apiVersion: apiregistration.k8s.io/v1
kind: APIService
metadata:
  labels:
    app.kubernetes.io/name: v1beta1.external.metrics.k8s.io
    app.kubernetes.io/version: latest
    app.kubernetes.io/part-of: keda-operator
  name: v1beta1.external.metrics.k8s.io
spec:
  service:
    name: keda-metrics-apiserver
    namespace: keda
  group: external.metrics.k8s.io
  version: v1beta1
  insecureSkipTLSVerify: true
  groupPriorityMinimum: 100
  versionPriority: 100

实现一个Scaler

其实有两种Scaler，即上面将的一个pull，一个push的模型，PushScaler多了一个Run方法：

实现一个Scaler，主要实现以下接口：

// Scaler interface
type Scaler interface {

    // 返回external_metrics.ExternalMetricValue对象，其实就是用于 keda-metrics-apiserver中获取到scaler的指标
    GetMetrics(ctx context.Context, metricName string, metricSelector labels.Selector) ([]external_metrics.ExternalMetricValue, error)

    // 返回v2beta2.MetricSpec 结构，主要用于ScalerObject描述创建HPA的类型和Target指标等
    GetMetricSpecForScaling() []v2beta2.MetricSpec
      // 返回该Scaler是否Active，可能会影响Loop中直接修改副本数
    IsActive(ctx context.Context) (bool, error)

    //调用完一次上面的方法就会调用一次Close 
    Close() error
}

// PushScaler interface
type PushScaler interface {
    Scaler

    // 通过scaler实现Run方法，往active channel中，写入值，而非上面的直接调用IsActive放回
    Run(ctx context.Context, active chan<- bool)
}

总结

回过头来我们解答下在开头留下的问题：

  • KEDA是如何获取到多种事件的指标，以及如何判断扩缩容的？

    答：keda controler中生成了external 类型的hpa，并且实现了external metrics 的api

  • KEDA是如何做到将应用的副本数缩容0，依据是什么？

    答： keda 内部有个loop，不断的check isActive状态，会主动的修改应用副本

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