Go语言kube-scheduler深度剖析与开发之pod调度（任务调度框架quartz）太疯狂了

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目录正文感知 Pod取出 Pod调度 Pod

为了深入学习 kube-scheduler，本系从源码和实战角度深度学习kube-scheduler，该系列一共分6篇文章，如下：

kube-scheduler 整体架构初始化一个 scheduler本文: 一个 Pod 是如何调度的如何开发一个属于自己的scheduler插件开发一个 prefilter 扩展点的插件开发一个 socre 扩展点的插件

上一篇文章我们讲了一个 kube-scheduler 是怎么初始化出来的，有了调度器之后就得开始让他干活了这一篇文章我们来讲讲一个 Pod 是怎么被调度到某个 Node 的。

我把调度一个 Pod 分为3个阶段

获取需要被调度的 Pod运行每个扩展点的所有插件，给 Pod 选择一个最合适的 Node将 Pod 绑定到选出来的 Node

要能够获取到 Pod 的前提是：kube-scheduler 能感知到有 Pod 需要被调度，得知有 Pod 需要被调度后还需要有地方存放被调度的 Pod 的信息。为了感知有 Pod 需要被调度，kube-scheduler 启动时通过 Informer watch Pod 的变化，它把待调度的 Pod 分了两种情况，代码如下

// pkg/scheduler/eventhandlers.go
func addAllEventHandlers(…) {
//已经调度过的 Pod 则加到本地缓存，并判断是加入到调度队列还是加入到backoff队列
informerFactory.Core().V1().Pods().Informer().AddEventHandler(
cache.FilteringResourceEventHandler{
FilterFunc: func(obj interface{}) bool {
switch t :=obj.(type) {
case *v1.Pod:
return assignedPod(t)
case cache.DeletedFinalStateUnknown:
if _, ok :=t.Obj.(*v1.Pod); ok {
// The carried object may be stale, so we don’t use it to check if
// it’s assigned or not. Attempting to cleanup anyways.
return true
}
utilruntime.HandleError(fmt.Errorf(“unable to convert object %T to *v1.Pod in %T”, obj, sched))
return false
default:
utilruntime.HandleError(fmt.Errorf(“unable to handle object in %T: %T”, sched, obj))
return false
}
},
Handler: cache.ResourceEventHandlerFuncs{
AddFunc: sched.addPodToCache,
UpdateFunc: sched.updatePodInCache,
DeleteFunc: sched.deletePodFromCache,
},
},
)
// 没有调度过的Pod，放到调度队列
informerFactory.Core().V1().Pods().Informer().AddEventHandler(
cache.FilteringResourceEventHandler{
FilterFunc: func(obj interface{}) bool {
switch t :=obj.(type) {
case *v1.Pod:
return !assignedPod(t) && responsibleForPod(t, sched.Profiles)
case cache.DeletedFinalStateUnknown:
if pod, ok :=t.Obj.(*v1.Pod); ok {
// The carried object may be stale, so we don’t use it to check if
// it’s assigned or not.
return responsibleForPod(pod, sched.Profiles)
}
utilruntime.HandleError(fmt.Errorf(“unable to convert object %T to *v1.Pod in %T”, obj, sched))
return false
default:
utilruntime.HandleError(fmt.Errorf(“unable to handle object in %T: %T”, sched, obj))
return false
}
},
Handler: cache.ResourceEventHandlerFuncs{
AddFunc: sched.addPodToSchedulingQueue,
UpdateFunc: sched.updatePodInSchedulingQueue,
DeleteFunc: sched.deletePodFromSchedulingQueue,
},
},
)
……
}

已经调度过的 Pod 区分是不是调度过的 Pod 是通过：len(pod.Spec.NodeName) !=0 来判断的，因为调度过的 Pod 这个字段总是会被赋予被选中的 Node 名字。但是，既然是调度过的 Pod 下面的代码中为什么还要区分：sched.addPodToCache 和 sched.updatePodInCache 呢？原因在于我们可以在创建 Pod 的时候人为给它分配一个 Node（即给 pod.Spec.NodeName 赋值），这样 kube-scheduler 在监听到该 Pod 后，判断这个 Pod 的该字段不为空就会认为这个 Pod 已经调度过了，但是这个字段不为空并不是 kube-scheduler 调度的结果，而是人为赋值的，那么 kube-scheduler 的 cache（可以参考上一篇 cache 相关的内容）中没有这个 Pod 的信息，所以就需要将 Pod 信息加入到 cache 中。至于在监听到 Pod 后 sched.addPodToCache 和 sched.updatePodInCache 哪个会被调用，这是 Informer 决定的，它会根据监听到变化的 Pod 和 Informer 的本地缓存做对比，要是缓存中没有这个 Pod，那么就调用 add 函数，否则就调用 update 函数。

加入或更新缓存后，还需要做一件事：去 unschedulablePods（调度失败的Pod）中获取 Pod，这些 Pod 的亲和性和刚刚加入的这个 Pod 匹配，然后根据下面的规则判断是把 Pod 放入 backoffQ 还是放入 activeQ

根据这个 Pod 尝试被调度的次数计算这个 Pod 下次调度应该等待的时间，计算规则为指数级增长，即按照1s,2s,4s,8s这样的时间进行等待，但是这个等待时间也不会无限增加，会受到 podMaxBackoffDuration（默认10s）的限制，这个参数表示是一个 Pod 处于 backoff 的最大时间，如果等待的时间如果超过了 podMaxBackoffDuration，那么就只等待 podMaxBackoffDuration 就会再次被调度；当前时间 – 上次调度的时间 > 根据（1）获取到的应该等待的时间，那么就把Pod放到activeQ里面，将会被调度，否则Pod被放入 backoff 队列里等待。

从上面我们可以看到，一个 Pod 的变化会触发此前调度失败的 Pod 重新判断是否可以被调度

没有调度过的 Pod

len(pod.Spec.NodeName)=0，那么这个 Pod 没有被调度过或者是此前调度过但是调度失败的（用户修改了 Pod 的配置导致 Pod 发生变化，又被 kube-scheduler 感知到了），如果是没有调度过的 Pod 那么直接加入到 activeQ，如果是调度失败的 Pod 则根据上述规则判断是加入 backoffQ 还是 activeQ。加入到 activeQ 会马上被取走，然后开始调度。

那么那些因为调度失败而被放入 unscheduleable 的 Pod 还有其他机会（上面说的有新 Pod 创建是一个机会）重新被调度么？答案是有的，否则他们就“被饿死了”，有两种途径：1. 定期强制将 unscheduleable 的 Pod 放入 backoffQ 或 activeQ，定期将 backoffQ 等待超时的 Pod 放入 ac activeQ；2. 集群内其他相关资源变化时，判断 unscheduleable 中的 Pod 是不是要放入 backoffQ 或 activeQ，其实这跟有 Pod 发生变化的情况是一样的。

第一种情况

在 kube-scheduler启动的时候中会起两个协程，他们会定期把 backoffQ 和 unscheduleable 里面的 Pod拿到activeQ里面去

func (p *PriorityQueue) Run() {
go wait.Until(p.flushBackoffQCompleted, 1.0*time.Second, p.stop)
go wait.Until(p.flushUnschedulablePodsLeftover, 30*time.Second, p.stop)
}

flushUnschedulablePodsLeftover

func (p *PriorityQueue) flushUnschedulablePodsLeftover() {
p.lock.Lock()
defer p.lock.Unlock()
var podsToMove []*framework.QueuedPodInfo
currentTime :=p.clock.Now()
for _, pInfo :=range p.unschedulablePods.podInfoMap {
lastScheduleTime :=pInfo.Timestamp
if currentTime.Sub(lastScheduleTime) > p.podMaxInUnschedulablePodsDuration {
podsToMove=append(podsToMove, pInfo)
}
}
if len(podsToMove) > 0 {
p.movePodsToActiveOrBackoffQueue(podsToMove, UnschedulableTimeout)
}
}

func (p *PriorityQueue) movePodsToActiveOrBackoffQueue(podInfoList []*framework.QueuedPodInfo, event framework.ClusterEvent) {
activated :=false
for _, pInfo :=range podInfoList {
// If the event doesn’t help making the Pod schedulable, continue.
// Note: we don’t run the check if pInfo.UnschedulablePlugins is nil, which denotes
// either there is some abnormal error, or scheduling the pod failed by plugins other than PreFilter, Filter and Permit.
// In that case, it’s desired to move it anyways.
if len(pInfo.UnschedulablePlugins) !=0 && !p.podMatchesEvent(pInfo, event) {
continue
}
pod :=pInfo.Pod
if p.isPodBackingoff(pInfo) {
if err :=p.podBackoffQ.Add(pInfo); err !=nil {
klog.ErrorS(err, “Error adding pod to the backoff queue”, “pod”, klog.KObj(pod))
} else {
metrics.SchedulerQueueIncomingPods.WithLabelValues(“backoff”, event.Label).Inc()
p.unschedulablePods.delete(pod)
}
} else {
if err :=p.activeQ.Add(pInfo); err !=nil {
klog.ErrorS(err, “Error adding pod to the scheduling queue”, “pod”, klog.KObj(pod))
} else {
metrics.SchedulerQueueIncomingPods.WithLabelValues(“active”, event.Label).Inc()
p.unschedulablePods.delete(pod)
}
}
}
p.moveRequestCycle=p.schedulingCycle
if activated {
p.cond.Broadcast()
}
}x

将在 unscheduleable 里面停留时长超过 podMaxInUnschedulablePodsDuration（默认是5min）的pod放入到 ActiveQ 或 BackoffQueue，具体是放到哪个队列里面，还是根据我们上文说的那个实际计算规则来。这么做的原因就是给那些“问题少年”一次重新做人的机会，也不能一犯错误（调度失败）就彻底打入死牢了。

flushBackoffQCompleted

去 backoffQ 获取等待结束的 Pod，放入 activeQ

func (p *PriorityQueue) flushBackoffQCompleted() {
p.lock.Lock()
defer p.lock.Unlock()
activated :=false
for {
rawPodInfo :=p.podBackoffQ.Peek()
if rawPodInfo==nil {
break
}
pod :=rawPodInfo.(*framework.QueuedPodInfo).Pod
boTime :=p.getBackoffTime(rawPodInfo.(*framework.QueuedPodInfo))
if boTime.After(p.clock.Now()) {
break
}
_, err :=p.podBackoffQ.Pop()
if err !=nil {
klog.ErrorS(err, “Unable to pop pod from backoff queue despite backoff completion”, “pod”, klog.KObj(pod))
break
}
p.activeQ.Add(rawPodInfo)
metrics.SchedulerQueueIncomingPods.WithLabelValues(“active”, BackoffComplete).Inc()
activated=true
}
if activated {
p.cond.Broadcast()
}
}

第二种情况

集群内资源发生变化

有新节点加入集群节点配置或状态发生变化已经存在的 Pod 发生变化集群内有Pod被删除

informerFactory.Core().V1().Nodes().Informer().AddEventHandler(
cache.ResourceEventHandlerFuncs{
AddFunc: sched.addNodeToCache,
UpdateFunc: sched.updateNodeInCache,
DeleteFunc: sched.deleteNodeFromCache,
},
)

新加入节点

func (sched *Scheduler) addNodeToCache(obj interface{}) {
node, ok :=obj.(*v1.Node)
if !ok {
klog.ErrorS(nil, “Cannot convert to *v1.Node”, “obj”, obj)
return
}
nodeInfo :=sched.Cache.AddNode(node)
klog.V(3).InfoS(“Add event for node”, “node”, klog.KObj(node))
sched.SchedulingQueue.MoveAllToActiveOrBackoffQueue(queue.NodeAdd, preCheckForNode(nodeInfo))
}

func preCheckForNode(nodeInfo *framework.NodeInfo) queue.PreEnqueueCheck {
// Note: the following checks doesn’t take preemption into considerations, in very rare
// cases (e.g., node resizing), “pod” may still fail a check but preemption helps. We deliberately
// chose to ignore those cases as unschedulable pods will be re-queued eventually.
return func(pod *v1.Pod) bool {
admissionResults :=AdmissionCheck(pod, nodeInfo, false)
if len(admissionResults) !=0 {
return false
}
_, isUntolerated :=corev1helpers.FindMatchingUntoleratedTaint(nodeInfo.Node().Spec.Taints, pod.Spec.Tolerations, func(t *v1.Taint) bool {
return t.Effect==v1.TaintEffectNoSchedule
})
return !isUntolerated
}
}

可以看到，当有节点加入集群的时候，会把 unscheduleable 里面的Pod 依次拿出来做下面的判断：

Pod 对节点的亲和性Pod 中 Nodename不为空那么判断新加入节点的Name判断pod Nodename是否相等判断 Pod 中容器对端口的要求是否和新加入节点已经被使用的端口冲突Pod 是否容忍了Node的Pod

只有上述4个条件都满足，那么新加入节点这个事件才会触发这个未被调度的Pod加入到 backoffQ 或者 activeQ，至于是加入哪个queue，上面已经分析过了

节点更新

func (sched *Scheduler) updateNodeInCache(oldObj, newObj interface{}) {
oldNode, ok :=oldObj.(*v1.Node)
if !ok {
klog.ErrorS(nil, “Cannot convert oldObj to *v1.Node”, “oldObj”, oldObj)
return
}
newNode, ok :=newObj.(*v1.Node)
if !ok {
klog.ErrorS(nil, “Cannot convert newObj to *v1.Node”, “newObj”, newObj)
return
}
nodeInfo :=sched.Cache.UpdateNode(oldNode, newNode)
// Only requeue unschedulable pods if the node became more schedulable.
if event :=nodeSchedulingPropertiesChange(newNode, oldNode); event !=nil {
sched.SchedulingQueue.MoveAllToActiveOrBackoffQueue(*event, preCheckForNode(nodeInfo))
}
}

func nodeSchedulingPropertiesChange(newNode *v1.Node, oldNode *v1.Node) *framework.ClusterEvent {
if nodeSpecUnschedulableChanged(newNode, oldNode) {
return &queue.NodeSpecUnschedulableChange
}
if nodeAllocatableChanged(newNode, oldNode) {
return &queue.NodeAllocatableChange
}
if nodeLabelsChanged(newNode, oldNode) {
return &queue.NodeLabelChange
}
if nodeTaintsChanged(newNode, oldNode) {
return &queue.NodeTaintChange
}
if nodeConditionsChanged(newNode, oldNode) {
return &queue.NodeConditionChange
}
return nil
}

首先是判断节点是何种配置发生了变化，有如下情况

节点可调度情况发生变化节点可分配资源发生变化节点标签发生变化节点污点发生变化节点状态发生变化

如果某个 Pod 调度失败的原因可以匹配到上面其中一个原因，那么节点更新这个事件才会触发这个未被调度的Pod加入到 backoffQ 或者 activeQ

informerFactory.Core().V1().Pods().Informer().AddEventHandler(
cache.FilteringResourceEventHandler{
FilterFunc: func(obj interface{}) bool {
switch t :=obj.(type) {
case *v1.Pod:
return assignedPod(t)
case cache.DeletedFinalStateUnknown:
if _, ok :=t.Obj.(*v1.Pod); ok {
// The carried object may be stale, so we don’t use it to check if
// it’s assigned or not. Attempting to cleanup anyways.
return true
}
utilruntime.HandleError(fmt.Errorf(“unable to convert object %T to *v1.Pod in %T”, obj, sched))
return false
default:
utilruntime.HandleError(fmt.Errorf(“unable to handle object in %T: %T”, sched, obj))
return false
}
},
Handler: cache.ResourceEventHandlerFuncs{
AddFunc: sched.addPodToCache,
UpdateFunc: sched.updatePodInCache,
DeleteFunc: sched.deletePodFromCache,
},
},
)

已经存在的 Pod 发生变化

func (sched *Scheduler) addPodToCache(obj interface{}) {
pod, ok :=obj.(*v1.Pod)
if !ok {
klog.ErrorS(nil, “Cannot convert to *v1.Pod”, “obj”, obj)
return
}
klog.V(3).InfoS(“Add event for scheduled pod”, “pod”, klog.KObj(pod))
if err :=sched.Cache.AddPod(pod); err !=nil {
klog.ErrorS(err, “Scheduler cache AddPod failed”, “pod”, klog.KObj(pod))
}
sched.SchedulingQueue.AssignedPodAdded(pod)
}

func (p *PriorityQueue) AssignedPodAdded(pod *v1.Pod) {
p.lock.Lock()
p.movePodsToActiveOrBackoffQueue(p.getUnschedulablePodsWithMatchingAffinityTerm(pod), AssignedPodAdd)
p.lock.Unlock()
}

func (p *PriorityQueue) getUnschedulablePodsWithMatchingAffinityTerm(pod *v1.Pod) []*framework.QueuedPodInfo {
var nsLabels labels.Set
nsLabels=interpodaffinity.GetNamespaceLabelsSnapshot(pod.Namespace, p.nsLister)
var podsToMove []*framework.QueuedPodInfo
for _, pInfo :=range p.unschedulablePods.podInfoMap {
for _, term :=range pInfo.RequiredAffinityTerms {
if term.Matches(pod, nsLabels) {
podsToMove=append(podsToMove, pInfo)
break
}
}
}
return podsToMove
}

可以看到，已经存在的Pod发生变化后，会把这个Pod亲和性配置依次和 unscheduleable 里面的Pod匹配，如果能够匹配上，那么节点更新这个事件才会触发这个未被调度的Pod加入到 backoffQ 或者 activeQ。

集群内有Pod删除

func (sched *Scheduler) deletePodFromCache(obj interface{}) {
var pod *v1.Pod
switch t :=obj.(type) {
case *v1.Pod:
pod=t
case cache.DeletedFinalStateUnknown:
var ok bool
pod, ok=t.Obj.(*v1.Pod)
if !ok {
klog.ErrorS(nil, “Cannot convert to *v1.Pod”, “obj”, t.Obj)
return
}
default:
klog.ErrorS(nil, “Cannot convert to *v1.Pod”, “obj”, t)
return
}
klog.V(3).InfoS(“Delete event for scheduled pod”, “pod”, klog.KObj(pod))
if err :=sched.Cache.RemovePod(pod); err !=nil {
klog.ErrorS(err, “Scheduler cache RemovePod failed”, “pod”, klog.KObj(pod))
}
sched.SchedulingQueue.MoveAllToActiveOrBackoffQueue(queue.AssignedPodDelete, nil)
}

可以看到，Pod删除时间不像其他时间需要做额外的判断，这个preCheck函数是空的，所以所有 unscheduleable 里面的Pod都会被放到 activeQ 或 backoffQ 中。

从上面的情况，我们可以看到，集群内有事件发生变化，是可以加速调度失败的Pod被重新调度的进程的。常规的是，调度失败的 Pod 需要等5min 然后才会被重新加入 backoffQ 或 activeQ。backoffQ里面的Pod也需要等一段时间才会重新调度。这也就是为什么，当你修改节点配置的时候，能看到Pod马上重新被调度的原因

上面就是一个Pod调度失败后，重新触发调度的情况了。

Scheduler 中有个成员 NextPod 会从 activeQ 队列中尝试获取一个待调度的 Pod，该函数在 SchedulePod 中被调用，如下：

// 启动 Scheduler
func (sched *Scheduler) Run(ctx context.Context) {
sched.SchedulingQueue.Run()
go wait.UntilWithContext(ctx, sched.scheduleOne, 0)
<-ctx.Done()
sched.SchedulingQueue.Close()
}
// 尝试调度一个 Pod，所以 Pod 的调度入口
func (sched *Scheduler) scheduleOne(ctx context.Context) {
// 会一直阻塞，直到获取到一个Pod
……
podInfo :=sched.NextPod()
……
}

NextPod 它被赋予如下函数：

// pkg/scheduler/internal/queue/scheduling_queue.go
func MakeNextPodFunc(queue SchedulingQueue) func() *framework.QueuedPodInfo {
return func() *framework.QueuedPodInfo {
podInfo, err :=queue.Pop()
if err==nil {
klog.V(4).InfoS(“About to try and schedule pod”, “pod”, klog.KObj(podInfo.Pod))
for plugin :=range podInfo.UnschedulablePlugins {
metrics.UnschedulableReason(plugin, podInfo.Pod.Spec.SchedulerName).Dec()
}
return podInfo
}
klog.ErrorS(err, “Error while retrieving next pod from scheduling queue”)
return nil
}
}

Pop 会一直阻塞，直到 activeQ 长度大于0，然后取出一个 Pod 返回

// pkg/scheduler/internal/queue/scheduling_queue.go
func (p *PriorityQueue) Pop() (*framework.QueuedPodInfo, error) {
p.lock.Lock()
defer p.lock.Unlock()
for p.activeQ.Len()==0 {
// When the queue is empty, invocation of Pop() is blocked until new item is enqueued.
// When Close() is called, the p.closed is set and the condition is broadcast,
// which causes this loop to continue and return from the Pop().
if p.closed {
return nil, fmt.Errorf(queueClosed)
}
p.cond.Wait()
}
obj, err :=p.activeQ.Pop()
if err !=nil {
return nil, err
}
pInfo :=obj.(*framework.QueuedPodInfo)
pInfo.Attempts++
p.schedulingCycle++
return pInfo, nil
}

func (sched *Scheduler) scheduleOne(ctx context.Context) {
// 取出 Pod
podInfo :=sched.NextPod()
…
// 根据 Pod 的调度名字，获取之前初始化好的调度框架（framework）
fwk, err :=sched.frameworkForPod(pod)
…
// 开始执行插件，包括 filter, socre 两个扩展点内的所有插件，获取一个最合适 Pod 的节点
scheduleResult, err :=sched.SchedulePod(schedulingCycleCtx, fwk, state, pod)
// 如果获取节点失败，则开始运行 postFilter 开始抢占一个 Pod
if err !=nil {
result, status :=fwk.RunPostFilterPlugins(ctx, state, pod, fitError.Diagnosis.NodeToStatusMap)
}
….
// 将 Pod 放入 assumedPod 存储，即假设 Pod 已经调度成功
err=sched.assume(assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
// 运行 Reserve 插件
fwk.RunReservePluginsReserve(schedulingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
…
// 运行 Permit 插件
fwk.RunPermitPlugins(schedulingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
…
// 启动一个协程，开始绑定，主流程到了这里就结束了，然后开始新的一轮调度；
go func() {
// 执行 preBind 插件
fwk.RunPreBindPlugins(bindingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
…
// 执行绑定插件，会调用 kube-apiserver 写入etcd 调度结果，就是给 Pod 赋予 Nodename
err :=sched.bind(bindingCycleCtx, fwk, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost, state)
…
// 执行 postBind
fwk.RunPostBindPlugins(bindingCycleCtx, state, assumedPod, scheduleResult.SuggestedHost)
}

执行 filter 类型扩展点（包括preFilter，filter,postFilter）插件，选出所有符合 Pod 的 Node，如果无法找到符合的 Node，则把 Pod 加入 unscheduleable 中，此次调度结束;执行 score 扩展点插件，给所有 Node 打分；拿出得分最高的 Node；assume Pod。这一步就是乐观假设 Pod 已经调度成功，更新缓存中 Node 和 PodStats 信息，到了这里scheduling cycle就已经结束了，然后会开启新的一轮调度。至于真正的绑定，则会新起一个协程。执行 reserve 插件；启动协程绑定 Pod 到 Node上。实际上就是修改 Pod.spec.nodeName: 选定的node名字，然后调用 kube-apiserver 接口写入 etcd。如果绑定失败了，那么移除缓存中此前加入的信息，然后把 Pod 放入activeQ 中，后续重新调度。执行 postBinding，该步没有实现的插件没所以没有做任何事。

好了，到了这里一个 Pod 如果能够正常的被调度的话，那么流程就结束了。如果调度失败的话，Pod会被放入 unscheduleable 中，后续还会对 unscheduleable 中的 Pod 重新调度。

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