【博客550】k8s乐观锁机制：控制并发请求与数据一致性

k8s乐观锁机制：控制并发请求与数据一致性

1、乐观锁与悲观锁

悲观锁

悲观并发控制（又名“悲观锁”，Pessimistic Concurrency Control，缩写“PCC”）是一种并发控制的方法。它可以阻止一个事务以影响其他用户的方式来修改数据。如果一个事务执行的操作读某行数据应用了锁，那只有当这个事务把锁释放，其他事务才能够执行与该锁冲突的操作。

在悲观锁的场景下，假设用户A和B要修改同一个文件，A在锁定文件并且修改的过程中，B是无法修改这个文件的，只有等到A修改完成，并且释放锁以后，B才可以获取锁，然后修改文件。由此可以看出，悲观锁对并发的控制持悲观态度，它在进行任何修改前，首先会为其加锁，确保整个修改过程中不会出现冲突，从而有效的保证数据一致性。但这样的机制同时降低了系统的并发性，尤其是两个同时修改的对象本身不存在冲突的情况。同时也可能在竞争锁的时候出现死锁，所以现在很多的系统例如Kubernetes采用了乐观并发的控制方法。

乐观锁

乐观并发控制（又名“乐观锁”，Optimistic Concurrency Control，缩写“OCC”）是一种并发控制的方法。它假设多用户并发的事务在处理时不会彼此影响，各事务能够在不请求锁的情况下处理各自的数据。在提交数据更新之前，每个事务会先检查在该事务读取数据后，有没有其他事务又修改了该数据。如果其他事务有更新的话，正在提交的事务会进行回滚。

相对于悲观锁对锁的提前控制，乐观锁相信请求之间出现冲突的概率是比较小的，在读取及更改的过程中都是不加锁的，只有在最后提交更新时才会检测冲突，因此在高并发量的系统中占有绝对优势。同样假设用户A和B要修改同一个文件，A和B会先将文件获取到本地，然后进行修改。如果A已经修改好并且将数据提交，此时B再提交，服务器端会告知B文件已经被修改，返回冲突错误。此时冲突必须由B来解决，可以将文件重新获取回来，再一次修改后提交。
乐观锁通常通过增加一个资源版本字段，来判断请求是否冲突。初始化时指定一个版本值，每次读取数据时将版本号一同读出，每次更新数据，同时也对版本号进行更新。当服务器端收到数据时，将数据中的版本号与服务器端的做对比，如果不一致，则说明数据已经被修改，返回冲突错误。

2、k8s采用乐观锁机制

在Kubernetes集群中，外部用户及内部组件频繁的数据更新操作，导致系统的数据并发读写量非常大。假设采用悲观并行的控制方法，将严重损耗集群性能，因此Kubernetes采用乐观并行的控制方法。Kubernetes通过定义资源版本字段实现了乐观并发控制，资源版本(ResourceVersion)字段包含在Kubernetes对象的元数据(Metadata)中。这个字符串格式的字段标识了对象的内部版本号，其取值来自etcd的modifiedindex，且当对象被修改时，该字段将随之被修改。值得注意的是该字段由服务端维护，不建议在客户端进行修改。

3、k8s如何采用乐观锁机制控制并发请求与数据一致性

Kube-Apiserver可以通过该字段判断对象是否已经被修改。当包含ResourceVersion的更新请求到达Apiserver，服务器端将对比请求数据与服务器中数据的资源版本号，如果不一致，则表明在本次更新提交时，服务端对象已被修改，此时Apiserver将返回冲突错误(409)，客户端需重新获取服务端数据，重新修改后再次提交到服务器端。

上述并行控制方法可防止如下的data race：

Client1: GET Foo
Client2: GET Foo

Client1: Set Foo.Bar = "one"
Client1: PUT Foo 

Client2: Set Foo.Baz = "two"
Client2: PUT Foo
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当未采用并发控制时，假设发生如上请求序列，两个客户端同时从服务端获取同一对象Foo(含有Bar、Baz两个字段)，Client#1先将Bar字段置成one，其后Client#2对Baz字段赋值的更新请求到服务端时，将覆盖Client#1对Bar的修改。反之在对象中添加资源版本字段，同样的请求序列将如下：

Client1: GET Foo  //初始Foo.ResourceVersion=1
Client2: GET Foo  //初始Foo.ResourceVersion=1

Client 1: Set Foo.Bar ="one"
Client1: PUT Foo  //更新Foo.ResourceVersion=2

Client2: Set Foo.Baz = "two"
Client2: PUT Foo  //返回409冲突
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Client1更新对象后资源版本号将改变，Client#2在更新提交时将返回冲突错误(409)，此时Client#2必须在本地重新获取数据，更新后再提交到服务端。

假设更新请求的对象中未设置ResourceVersion值，Kubernetes将会根据硬改写策略(可配置)决定是否进行硬更新。如果配置为可硬改写，则数据将直接更新并存入Etcd，反之则返回错误，提示用户必须指定ResourceVersion。

4、k8s的Update和Patch

Update：

对于Update，客户端更新请求中包含的是整个obj对象，服务器端将对比该请求中的obj对象和服务器端最新obj对象的ResourceVersion值。如果相等，则表明未发生冲突，将成功更新整个对象。反之若不相等则返回409冲突错误

基本流程：

1.获取当前更新请求中obj对象的ResourceVersion值，及服务器端最新obj对象(existing)的ResourceVersion值

2.如果当前更新请求中obj对象的ResourceVersion值等于0，即客户端未设置该值，则判断是否要硬改写(AllowUnconditionalUpdate)，如配置为硬改写策略，将直接更新obj对象。

3.如果当前更新请求中obj对象的ResourceVersion值不等于0，则判断两个ResourceVersion值是否一致，不一致返回冲突错误(OptimisticLockErrorMsg)。

Patch

相比Update请求包含整个obj对象，Patch请求实现了更细粒度的对象更新操作，其请求中只包含需要更新的字段。例如要更新pod中container的镜像，可使用如下命令：
kubectl patch pod my-pod -p ‘{“spec”:{“containers”:[{“name”:“my-container”,“image”:“new-image”}]}}’

基本流程：

1.首先判断patch类型，根据类型选择相应的mechanism

2.将patch应用到最新获取的服务器端obj上，生成一个已更新的obj，再对该obj继续执行admission chain中的Admit与Validate。最终调用的还是update方法，因此冲突检测的机制与上述Update方法完全一致。

3.调用Update方法执行更新操作。

5、k8s的对象版本控制ResourceVersion和Generation

etcd version机制

ETCD共四种version：

ResourceVersion：

基于底层etcd的revision机制，资源对象每次update时都会改变，且集群范围内唯一

resourceversion存在哪里：

更新对象时，Kubernetes会比较该resourceVersion和ETCD中对象的resourceVersion，在一致的情况下都会更新，一旦发生更新，该对象的resourceVersion值也会改变。所以，resourceVersion相当于一把锁。
当然，Kubernetes在resourceVersion值的生成上，并没有实现自己的一套管理机制，而是直接使用了ETCD的index。
在ETCD中，会维护一个全局的index，每发生一个操作，该index会加1。每个key都会维护一个modified index，表明该节点最近的一次更改index。所以Kubernetes就是借用了modified index。
那和，既然从ETCD的节点中能获取到resourceVersion(即modified index)，那就没必要把resourceVersion存储到ETCD中了。所以存储在ETCD中的对象并没有resourceVersion字段，而是在获取时动态添加resourceVersion字段。

resourceVersion的维护其实是利用了底层存储etcd的Revision机制：

// Get implements storage.Interface.Get.
func (s *store) Get(ctx context.Context, key string, opts storage.GetOptions, out runtime.Object) error {
	key = path.Join(s.pathPrefix, key)
	startTime := time.Now()
	getResp, err := s.client.KV.Get(ctx, key)
	metrics.RecordEtcdRequestLatency("get", getTypeName(out), startTime)
	if err != nil {
		return err
	}
	if err = s.validateMinimumResourceVersion(opts.ResourceVersion, uint64(getResp.Header.Revision)); err != nil {
		return err
	}

	if len(getResp.Kvs) == 0 {
		if opts.IgnoreNotFound {
			return runtime.SetZeroValue(out)
		}
		return storage.NewKeyNotFoundError(key, 0)
	}
	kv := getResp.Kvs[0]

	data, _, err := s.transformer.TransformFromStorage(kv.Value, authenticatedDataString(key))
	if err != nil {
		return storage.NewInternalError(err.Error())
	}

	return decode(s.codec, s.versioner, data, out, kv.ModRevision)
}
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kv.ModRevision看到从ETCD读取了key的ModRevision,继续看下decode函数

// decode decodes value of bytes into object. It will also set the object resource version to rev.
// On success, objPtr would be set to the object.
func decode(codec runtime.Codec, versioner storage.Versioner, value []byte, objPtr runtime.Object, rev int64) error {
	if _, err := conversion.EnforcePtr(objPtr); err != nil {
		return fmt.Errorf("unable to convert output object to pointer: %v", err)
	}
	_, _, err := codec.Decode(value, nil, objPtr)
	if err != nil {
		return err
	}
	// being unable to set the version does not prevent the object from being extracted
	if err := versioner.UpdateObject(objPtr, uint64(rev)); err != nil {
		klog.Errorf("failed to update object version: %v", err)
	}
	return nil
}
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到这里已经可出Kubernetes的resourceVersion是利用了底层ETCD kv版本机制。

根据更新资源时是否带有resourceVersion分两种情况：

• 未带resourceVersion：无条件更新，获得etcd中最新的数据然后再此基础上更新
• 带有resourceVersion：和etcd中modRevision对比，不一样就提示版本冲突，说明数据已发生修改，当前要修改的版本已不是最新数据。

Generation：

初始值为1，随Spec内容的改变而自增

func (deploymentStrategy) PrepareForCreate(ctx context.Context, obj runtime.Object) {
	deployment := obj.(*apps.Deployment)
	deployment.Status = apps.DeploymentStatus{}
	deployment.Generation = 1

	pod.DropDisabledTemplateFields(&deployment.Spec.Template, nil)
}

func (deploymentStrategy) PrepareForUpdate(ctx context.Context, obj, old runtime.Object) {
	newDeployment := obj.(*apps.Deployment)
	oldDeployment := old.(*apps.Deployment)
	newDeployment.Status = oldDeployment.Status

	pod.DropDisabledTemplateFields(&newDeployment.Spec.Template, &oldDeployment.Spec.Template)

	// Spec updates bump the generation so that we can distinguish between
	// scaling events and template changes, annotation updates bump the generation
	// because annotations are copied from deployments to their replica sets.
	if !apiequality.Semantic.DeepEqual(newDeployment.Spec, oldDeployment.Spec) ||
		!apiequality.Semantic.DeepEqual(newDeployment.Annotations, oldDeployment.Annotations) {
		newDeployment.Generation = oldDeployment.Generation + 1
	}
}
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6、ResourceVersion在list-watch机制中的使用

ResourceVersion字段在Kubernetes中除了用在上述并发控制机制外，还用在Kubernetes的list-watch机制中。Client端的list-watch分为两个步骤，先list取回所有对象，再以增量的方式watch后续对象。Client端在list取回所有对象后，将会把最新对象的ResourceVersion作为下一步watch操作的起点参数，也即Kube-Apiserver以收到的ResourceVersion为起始点返回后续数据，保证了list-watch中数据的连续性与完整性。