从5个函数带你理解K8s DeltaFIFO

摘要：DeltaFIFO是K8s中用来存储处理数据的Queue，相较于传统的FIFO,它不仅仅存储了数据保证了先进先出，而且存储有K8s资源对象的类型。是连接Reflector(生产者)和indexer(消费者)的重要通道。

本文分享自华为云社区《Client-go源码分析之DeltaFIFO》，作者： kaliarch 。

DeltaFIFO是K8s中用来存储处理数据的Queue，相较于传统的FIFO，它不仅仅存储了数据保证了先进先出，而且存储有K8s 资源对象的类型。其是连接Reflector(生产者)和indexer(消费者)的重要通道。

一源码

在这里我们着重看几个比较重要的方法及函数，理解DeltaFIFO的重要几个属性及方法，具体更细的Queue，FIFO等方法需要去查看更详细的源码。

1.1 DeltaFIFO结构

// Delta 结构体
type Delta struct {
    Type   DeltaType
    Object interface{}
}

type DeltaType string

// Change type definition
const (
    Added   DeltaType = "Added"
    Updated DeltaType = "Updated"
    Deleted DeltaType = "Deleted"
 // 当遇到 watch 错误，不得不进行重新list时，就会触发 Replaced。
  // 我们不知道被替换的对象是否发生了变化。
    Replaced DeltaType = "Replaced"
    // Sync 是针对周期性重新同步期间的合成事件
    Sync DeltaType = "Sync"
)

type DeltaFIFO struct {
    // lock/cond 保护对“项目”和“队列”的访问,确保线程安全
    lock sync.RWMutex
  // cond实现一个条件变量，一个集合点 ，用于等待或宣布发生的goroutine事件。
  // 每个Cond都有一个锁L（通常是* Mutex或* RWMutex），
  // 更改条件时必须保留 调用Wait方法时。第一次使用后不得复制条件。
    cond sync.Cond

    // `items` maps a key to a Deltas.
    // items为同一类对象的变化delta变化列表
    items map[string]Deltas

    // `queue` maintains FIFO order of keys for consumption in Pop().
    // There are no duplicates in `queue`.
    // 为了保证顺序
    queue []string

  // 如果调用Replace()第一次填充完成，则populated设置为true
    populated bool
    // 第一次调用Replace插入的项目数
    initialPopulationCount int

    // 计算item的key
    keyFunc KeyFunc

    // 是后面的indexer
    knownObjects KeyListerGetter

    closed bool

    // emitDeltaTypeReplaced is whether to emit the Replaced or Sync
    // DeltaType when Replace() is called (to preserve backwards compat).
    emitDeltaTypeReplaced bool
}

从源码中我们可以看出Delta有5种类型，前面增删改顾名思义都是在watch中监控对象的变化，对于Replaced和Sync用于首次和异常情况确保indexer中的数据和etcd中的保持一致。

我们可以看出DeltaFIFO中重要的几个属性。

queue：存储资源对象的key。
items：存储某个对象的一类行为，顺序的保存同一个对象的一系列变化行为，key为keyFunc计算的值，value为delta的列表。
keyFunc:用于计算items的key。

DeltaFIFO 他会保留关于资源对象obj的操作类型，队列中会存在不同操作类型的同一个资源对象，queue的key通过Keyof函数计算得到，items字段通过map数据结构方式存储，valuse存储的是对象的deltas数组。

例如用户创建一个Pod，那么该Delat就说一个带有Added类型的Pod，带上类型为了后续跟进不同的操作，控制器执行不同的业务逻辑。

1.2 queueActionLocked

我们查看DeltaFIFO的方法，例如Add/Update/Delete都调用了queueActionLocked方法，具体对该方法进行分析。

// DeltaFIFO 的Add方法
func (f *DeltaFIFO) Add(obj interface{}) error {
   f.lock.Lock()
   defer f.lock.Unlock()
   f.populated = true
   return f.queueActionLocked(Added, obj)
}

queueActionLocked

大体步骤可以分为：获取对象键，将新对象添加至对象列表中，对delete类型进行去重，如果对象不在queue中，将其key存储到queue中，最终完成添加对象到items中和更新queue。

// 
func (f *DeltaFIFO) queueActionLocked(actionType DeltaType, obj interface{}) error {
  //  获取对象键
    id, err := f.KeyOf(obj)
    if err != nil {
        return KeyError{obj, err}
    }
  // 临时存储旧对象列表
    oldDeltas := f.items[id]
  // 将对象添加至新对象列表中
    newDeltas := append(oldDeltas, Delta{actionType, obj})
  // 对于delete 类型进行去重，因为更新类型可能更新某个字段存在异常。
    newDeltas = dedupDeltas(newDeltas)
  // 判断queue中是否存储有对象key，如果不存在之前将其添加至queue中
    if len(newDeltas) > 0 {
        if _, exists := f.items[id]; !exists {
            f.queue = append(f.queue, id)
        }
        f.items[id] = newDeltas
    // 通知所有的消费者解除阻塞
        f.cond.Broadcast()
    } else {
        // This never happens, because dedupDeltas never returns an empty list
        // when given a non-empty list (as it is here).
        // If somehow it happens anyway, deal with it but complain.
        if oldDeltas == nil {
            klog.Errorf("Impossible dedupDeltas for id=%q: oldDeltas=%#+v, obj=%#+v; ignoring", id, oldDeltas, obj)
            return nil
        }
        klog.Errorf("Impossible dedupDeltas for id=%q: oldDeltas=%#+v, obj=%#+v; breaking invariant by storing empty Deltas", id, oldDeltas, obj)
    // 生成最终的对象items
        f.items[id] = newDeltas
        return fmt.Errorf("Impossible dedupDeltas for id=%q: oldDeltas=%#+v, obj=%#+v; broke DeltaFIFO invariant by storing empty Deltas", id, oldDeltas, obj)
    }
    return nil
}

KeyOf

在queueActionLocked中获取DeltaFIFO最新的对象键使用的是KeyOf方法，首先判读对象是否为delta切片，利用最新的delta对象进行操作，直接调用的DeltaFIFO中的keyFunc，在K8s中如果不传入，默认使用的是MetaNamespaceKeyFunc，该函数返回的是/，除非为空，则直接使用对象名称作为key。

// DeltaFIFO 的对象键计算函数
func (f *DeltaFIFO) KeyOf(obj interface{}) (string, error) {
 // 判断是否是 Delta 切片
  if d, ok := obj.(Deltas); ok {
  if len(d) == 0 {
   return "", KeyError{obj, ErrZeroLengthDeltasObject}
  }
  // 使用最新版本的对象进行计算
  obj = d.Newest().Object
 }
 if d, ok := obj.(DeletedFinalStateUnknown); ok {
  return d.Key, nil
 }
  // 具体计算还是要看初始化 DeltaFIFO 传入的 KeyFunc 函数
 return f.keyFunc(obj)
}

// Newest 返回最新的 Delta，如果没有则返回 nil。
func (d Deltas) Newest() *Delta {
 if n := len(d); n > 0 {
  return &d[n-1]
 }
 return nil
}

1.3 Replace

在之前的 Reflector 学习中，可以看到在 ListAndWatch 方法中，对资源的全量 List 最后调用的其实是 Reflector 传入的 Store 中的 Replace 方法。

Replace方法主要用于对象的全量更新上，由于 DeltaFIFO 对外输出的就是所有目标的增量变化，所以每次全量更新都要判断对象是否已经删除，因为在全量更新前可能没有收到目标删除的请求。这一点与 cache 不同，cache 的Replace() 相当于重建，因为 cache 就是对象全量的一种内存映射，所以Replace() 就等于重建。

func (f *DeltaFIFO) Replace(list []interface{}, resourceVersion string) error {
    f.lock.Lock()
    defer f.lock.Unlock()
  // 构造一个set
    keys := make(sets.String, len(list))

    // 旧版本客户端List操作Sync，再此为了向后兼容
    action := Sync
    if f.emitDeltaTypeReplaced {
        action = Replaced
    }

    // 对传入的对象列切片进行遍历并添加至DeltaFIFO中。
    for _, item := range list {
    // 获取对象key
        key, err := f.KeyOf(item)
        if err != nil {
            return KeyError{item, err}
        }
    // 利用Set集合保存处理过的对象键
        keys.Insert(key)
        if err := f.queueActionLocked(action, item); err != nil {
            return fmt.Errorf("couldn't enqueue object: %v", err)
        }
    }

  // 判断是否有Indexer存储，如果没有Indexer，那么就维护自己的Queue
  // 如果老对象不在Queue中，则删除对象，否则更新为最新的对象
    if f.knownObjects == nil {
        // Do deletion detection against our own list.
        queuedDeletions := 0
 
    // 对对象执行更新
        for k, oldItem := range f.items {
            if keys.Has(k) {
                continue
            }
            // Delete pre-existing items not in the new list.
            // This could happen if watch deletion event was missed while
            // disconnected from apiserver.
            var deletedObj interface{}
            if n := oldItem.Newest(); n != nil {
                deletedObj = n.Object
            }
            queuedDeletions++
      // 因为可能队列中已经存在 Deleted 类型的元素了，避免重复，所以采用 DeletedFinalStateUnknown 
            if err := f.queueActionLocked(Deleted, DeletedFinalStateUnknown{k, deletedObj}); err != nil {
                return err
            }
        }
   // 如果populated为false，则说明第一次入的队列对象为操作完成
        if !f.populated {
            f.populated = true
            // 记录第一次设置的对象数量
            f.initialPopulationCount = keys.Len() + queuedDeletions
        }

        return nil
    }

    // 检测不在队列中的删除对象
    knownKeys := f.knownObjects.ListKeys()
    queuedDeletions := 0
    for _, k := range knownKeys {
        if keys.Has(k) {
            continue
        }
    // 根据key从indexer中进行获取
        deletedObj, exists, err := f.knownObjects.GetByKey(k)
        if err != nil {
            deletedObj = nil
            klog.Errorf("Unexpected error %v during lookup of key %v, placing DeleteFinalStateUnknown marker without object", err, k)
        } else if !exists {
            deletedObj = nil
            klog.Infof("Key %v does not exist in known objects store, placing DeleteFinalStateUnknown marker without object", k)
        }
        queuedDeletions++
    // 将对象删除的delta放入队列
        if err := f.queueActionLocked(Deleted, DeletedFinalStateUnknown{k, deletedObj}); err != nil {
            return err
        }
    }

    if !f.populated {
        f.populated = true
        f.initialPopulationCount = keys.Len() + queuedDeletions
    }

    return nil
}

1.4 Resync

在定时同步中，调用的是Store的Resync方法，Resync 重新同步，带有 Sync 类型的 Delta 对象，如果f.knownObjects也就是Indexer不存在，则不执行Resync操作。

func (f *DeltaFIFO) Resync() error {
    f.lock.Lock()
    defer f.lock.Unlock()
    // 如果没有indexer，则不执行
    if f.knownObjects == nil {
        return nil
    }
  // 获取indexer的key列表
    keys := f.knownObjects.ListKeys()
    for _, k := range keys {
        if err := f.syncKeyLocked(k); err != nil {
            return err
        }
    }
    return nil
}
// 具体的resync操作
func (f *DeltaFIFO) syncKeyLocked(key string) error {
  // 获取key
    obj, exists, err := f.knownObjects.GetByKey(key)
  // 如果错误或不存在则直接返回
    if err != nil {
        klog.Errorf("Unexpected error %v during lookup of key %v, unable to queue object for sync", err, key)
        return nil
    } else if !exists {
        klog.Infof("Key %v does not exist in known objects store, unable to queue object for sync", key)
        return nil
    }

    // If we are doing Resync() and there is already an event queued for that object,
    // we ignore the Resync for it. This is to avoid the race, in which the resync
    // comes with the previous value of object (since queueing an event for the object
    // doesn't trigger changing the underlying store .
  // 根据KeyOf获取到key
    id, err := f.KeyOf(obj)
    if err != nil {
        return KeyError{obj, err}
    }
  // 如果DeltaFIFO中该key有值，则暂时先不更新，等最后一个对象操作完成后执行最后状态的更新
    if len(f.items[id]) > 0 {
        return nil
    }
  // 添加对象同步的这个 Delta
    if err := f.queueActionLocked(Sync, obj); err != nil {
        return fmt.Errorf("couldn't queue object: %v", err)
    }
    return nil
}

1.5 Pop

最后要看下对DeltaFIFO中对象的消费，实际是利用Pop函数，具体对于数据流向的处理是通过PopProcessFunc实现。Pop 会等到一个元素准备好后再进行处理，如果有多个元素准备好了，则按照它们被添加或更新的顺序返回。在处理之前，元素会从队列（和存储）中移除，所以如果没有成功处理，应该用 AddIfNotPresent() 函数把它添加回来。
处理函数是在有锁的情况下调用的，所以更新其中需要和队列同步的数据结构是安全的。

func (f *DeltaFIFO) Pop(process PopProcessFunc) (interface{}, error) {
   f.lock.Lock()
   defer f.lock.Unlock()
   for {
      for len(f.queue) == 0 {
         // 当队列为空时，Pop() 的调用会被阻塞住，直到新的元素插入队列后
         // 当调用 Close() 时，设置 f.closed 并广播条件。
         if f.closed {
            return nil, ErrFIFOClosed
         }

         f.cond.Wait()
      }
      // 获取最先进入的元素进行处理
      id := f.queue[0]
      // 从队列删除第一元素
      f.queue = f.queue[1:]
      if f.initialPopulationCount > 0 {
         f.initialPopulationCount--
      }
      // 获取被弹出的对象
      item, ok := f.items[id]
      if !ok {
         // This should never happen
         klog.Errorf("Inconceivable! %q was in f.queue but not f.items; ignoring.", id)
         continue
      }
      // 从items中删除弹出的元素
      delete(f.items, id)
      // 利用process对item进行处理
      err := process(item)
      if e, ok := err.(ErrRequeue); ok {
         // 如果处理未成功，需要调用 addIfNotPresent 加回队列
         f.addIfNotPresent(id, item)
         err = e.Err
      }
      // Don't need to copyDeltas here, because we're transferring
      // ownership to the caller.
      return item, err
   }
}

二小试牛刀

package main

import (
    "fmt"
    corev1 "k8s.io/api/core/v1"
    "k8s.io/apimachinery/pkg/fields"
    "k8s.io/apimachinery/pkg/util/wait"
    "k8s.io/client-go/kubernetes"
    "k8s.io/client-go/tools/cache"
    "k8s.io/client-go/tools/clientcmd"
    "k8s.io/client-go/util/homedir"
    "path/filepath"
    "time"
)

func Must(e interface{}) {
    if e != nil {
        panic(e)
    }
}

func InitClientSet() (*kubernetes.Clientset, error) {
    kubeconfig := filepath.Join(homedir.HomeDir(), ".kube", "config")
    restConfig, err := clientcmd.BuildConfigFromFlags("", kubeconfig)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return kubernetes.NewForConfig(restConfig)
}

// 生成listwatcher
func InitListerWatcher(clientSet *kubernetes.Clientset, resource, namespace string, fieldSelector fields.Selector) cache.ListerWatcher {
    restClient := clientSet.CoreV1().RESTClient()
    return cache.NewListWatchFromClient(restClient, resource, namespace, fieldSelector)
}

// 生成pods reflector
func InitPodsReflector(clientSet *kubernetes.Clientset, store cache.Store) *cache.Reflector {
    resource := "pods"
    namespace := "default"
    resyncPeriod := 0 * time.Second
    expectedType := &corev1.Pod{}
    lw := InitListerWatcher(clientSet, resource, namespace, fields.Everything())

    return cache.NewReflector(lw, expectedType, store, resyncPeriod)
}

// 生成 DeltaFIFO
func InitDeltaQueue(store cache.Store) cache.Queue {
    return cache.NewDeltaFIFOWithOptions(cache.DeltaFIFOOptions{
        // store 实现了 KeyListerGetter
        KnownObjects: store,
        // EmitDeltaTypeReplaced 表示队列消费者理解 Replaced DeltaType。
        // 在添加 `Replaced` 事件类型之前，对 Replace() 的调用的处理方式与 Sync() 相同。
        // 出于向后兼容的目的，默认情况下为 false。
        // 当为 true 时，将为传递给 Replace() 调用的项目发送“替换”事件。当为 false 时，将发送 `Sync` 事件。
        EmitDeltaTypeReplaced: true,
    })

}
func InitStore() cache.Store {
    return cache.NewStore(cache.MetaNamespaceKeyFunc)
}

func main() {
    clientSet, err := InitClientSet()
    Must(err)
    // 用于在processfunc中获取
    store := InitStore()
    // queue
    DeleteFIFOQueue := InitDeltaQueue(store)
    // 生成podReflector
    podReflector := InitPodsReflector(clientSet, DeleteFIFOQueue)

    stopCh := make(chan struct{})
    defer close(stopCh)
    go podReflector.Run(stopCh)
    // 对单个元素进行处理，元素ke为 namespace/name，value 为delta列表
  // delta对象为DeltaType和runtimeobject
    ProcessFunc := func(obj interface{}) error {
        // 最先收到的事件会被最先处理
        for _, d := range obj.(cache.Deltas) {
            switch d.Type {
            case cache.Sync, cache.Replaced, cache.Added, cache.Updated:
                if _, exists, err := store.Get(d.Object); err == nil && exists {
                    if err := store.Update(d.Object); err != nil {
                        return err
                    }
                } else {
                    if err := store.Add(d.Object); err != nil {
                        return err
                    }
                }
            case cache.Deleted:
                if err := store.Delete(d.Object); err != nil {
                    return err
                }
            }
            pods, ok := d.Object.(*corev1.Pod)
            if !ok {
                return fmt.Errorf("not config: %T", d.Object)
            }

            fmt.Printf("Type:%s: Name:%s\n", d.Type, pods.Name)
        }
        return nil
    }

    fmt.Println("Start syncing...")

    wait.Until(func() {
        for {
            _, err := DeleteFIFOQueue.Pop(ProcessFunc)
            Must(err)
        }
    }, time.Second, stopCh)
}

首先创建store，在创建DeltaFIFO，之后通过初始化Reflector，将DeltaFIFO作为store穿入，Reflector运行起来后，对K8s APIserver进行ListWatch操作，将List的数据存储到DeltaFIFO中，通过自定义ProcessFunc 来对DeltaFIFO的元素进行处理。

三流程总结

Reflector 通过 ListAndWatch 首先获取全量的资源对象数据，然后调用 DeltaFIFO 的 Replace() 方法全量插入队列，如果设置了定时同步，则定时更新Indexer中的内容，后续通过 Watch 操作根据资源对象的操作类型调用 DeltaFIFO 的 Add、Update、Delete 方法。对于Pop 出来的元素如何处理，就要看 Pop 的回调函数 PopProcessFunc 了。

参考链接

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华为云新鲜技术分享 client-go k8s queue DeltaFIFO FIFO

从5个函数带你理解K8s DeltaFIFO

一源码

1.1 DeltaFIFO结构

1.2 queueActionLocked

1.3 Replace

1.4 Resync

1.5 Pop

二小试牛刀

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从5个函数带你理解K8s DeltaFIFO

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1.1 DeltaFIFO结构

1.2 queueActionLocked

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1.4 Resync

1.5 Pop

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