Kubernetes PV PVC

PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC) 是 Kubernetes 中持久化存储的核心概念，它们使得存储能够独立于 Pod 的生命周期，在不同的 Pod 和节点之间保持数据持久化。在实际应用中，PV 和 PVC 提供了一种声明式的存储管理方式，让开发者可以方便地使用持久化存储，而无需关心底层的存储实现。

PersistentVolume (PV) 详解

PersistentVolume (PV) 是 Kubernetes 集群中一种独立于 Pod 的存储资源。它为 Pod 提供持久化存储，解决了 Pod 重启或迁移后数据丢失的问题。

PV 的核心特性

持久化存储

PV 的生命周期与 Pod 解耦，不依赖于 Pod 的创建或销毁。当一个 Pod 停止运行后，PV 中的数据依然保留，可以在新的 Pod 中重新挂载并继续使用。因此，PV 适用于需要跨越多个 Pod 生命周期的数据存储场景，如数据库、日志存储等。

存储类型多样化

PV 是对底层存储的抽象，Kubernetes 支持多种存储系统。常见的存储类型包括：

• 本地存储（hostPath）：直接使用节点上的文件系统。
• 网络文件系统（如 NFS、GlusterFS）：适用于多节点共享存储。
• 云存储（如 AWS EBS、GCE Persistent Disk、Azure Disk）：用于云环境中的持久化存储。
• 块存储（如 iSCSI）：提供更高性能的数据存储。

访问模式

PV 的访问模式决定了存储卷可以被哪些 Pod 访问，以及如何访问。常见的访问模式包括：

• ReadWriteOnce (RWO)：只能被单个节点以读写方式挂载。常用于独占存储，如云磁盘。
• ReadOnlyMany (ROX)：可以被多个节点以只读方式挂载，适用于数据共享的场景。
• ReadWriteMany (RWX)：可以被多个节点以读写方式挂载，常用于共享存储，如 NFS 或 GlusterFS。

存储容量

PV 需要声明其可提供的存储容量。在绑定 PVC 时，Kubernetes 会根据 PVC 的存储请求将其绑定到一个有足够容量的 PV。

PV 的回收策略

PV 的回收策略定义了当 PVC 释放该 PV 时，Kubernetes 对 PV 的处理方式。常见的回收策略包括：

• Retain（保留）：PVC 释放后，PV 中的数据保留，管理员需要手动处理该 PV（如删除数据或再次分配给其他用户）。
• Delete（删除）：PVC 释放后，Kubernetes 会删除该 PV 以及其中存储的数据。适用于动态存储，如云存储。
• Recycle（回收）：PVC 释放后，PV 中的数据会被清空并再次提供给新的 PVC 使用。此策略现已弃用，建议使用 Delete 策略替代。

PV 示例

以下是一个 PV 的 YAML 文件示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-example
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: manual
  hostPath:
    path: "/mnt/data"

在这个示例中：

• 该 PV 提供了 10Gi 的存储容量。
• 访问模式为 ReadWriteOnce，意味着该 PV 只能被单个节点以读写方式挂载。
• PV 的回收策略是 Retain，当 PVC 释放后，数据会保留，管理员需要手动处理。
• 使用了 hostPath，将节点上的 /mnt/data 路径作为存储挂载点。

PersistentVolumeClaim (PVC) 详解

PersistentVolumeClaim (PVC) 是应用程序请求存储资源的一种方式。PVC 声明了应用所需的存储资源和访问模式，Kubernetes 会根据这些需求自动分配或绑定相应的 PV。

PVC 的核心特性

声明式请求存储

PVC 允许用户通过声明的方式请求存储资源，而无需关心底层的存储实现。用户只需指定所需的存储大小、访问模式等参数，Kubernetes 会负责查找或创建合适的 PV 并进行绑定。

自动绑定

当 PVC 创建后，Kubernetes 会根据 PVC 的需求（如存储容量、访问模式等）寻找匹配的 PV。如果找到符合要求的 PV，PVC 会自动绑定到该 PV。绑定后，PVC 将专门使用该 PV，直到 PVC 被删除。

与 StorageClass 集成

PVC 可以指定使用某个 StorageClass 动态创建 PV。StorageClass 提供了对存储类型和配置的抽象，如 SSD 或 HDD、不同的存储提供者（如 AWS、GCP）等。如果 PVC 指定了 StorageClass，Kubernetes 会自动根据 PVC 的需求动态创建一个 PV 并绑定。

PVC 的生命周期

PVC 的生命周期由以下步骤组成：

• 创建：用户或应用程序创建 PVC，声明存储需求。
• 绑定：Kubernetes 根据 PVC 的声明，寻找符合条件的 PV。如果 PVC 指定了 StorageClass，则会动态创建一个 PV 并绑定 PVC。
• 使用：Pod 可以通过挂载 PVC 来使用其中的存储资源。
• 释放：当 PVC 被删除时，Kubernetes 会根据 PV 的回收策略处理该 PV。

PVC 示例

以下是一个 PVC 的 YAML 文件示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-example
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 8Gi
  storageClassName: manual

在这个示例中：

• PVC 请求了 8Gi 的存储容量。
• 访问模式为 ReadWriteOnce，表示该存储卷只能被单个节点以读写方式挂载。
• 使用了 manual StorageClass，表明需要绑定手动创建的 PV。

动态存储的支持

Kubernetes 允许通过 StorageClass 来动态创建 PV。StorageClass 是 Kubernetes 用于定义不同存储类型和策略的抽象层。管理员可以定义不同的存储类，如基于 SSD 或 HDD 的存储池。当 PVC 请求存储时，Kubernetes 会根据 PVC 中定义的 StorageClass 动态创建合适的 PV 并绑定。

StorageClass 示例

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
  type: pd-ssd
  fsType: ext4

此示例定义了一个名为 fast 的 StorageClass，使用 Google Cloud 的 SSD 存储盘，并且文件系统类型为 ext4。PVC 可以通过指定 storageClassName: fast 来使用该 StorageClass，Kubernetes 会自动创建一个基于 SSD 的 PV。

PV 和 PVC 的关系

• 绑定关系：PVC 是对存储资源的请求，PV 是实际的存储卷。PVC 和 PV 之间是通过访问模式和存储容量的匹配绑定在一起的。一个 PVC 只能绑定一个 PV，反之亦然。
• 抽象与实现分离：用户通过 PVC 来声明他们的存储需求，而不需要关心底层存储的细节（如存储类型、存储位置等）。Kubernetes 会自动根据 PVC 的需求匹配或创建合适的 PV。
• 生命周期管理：PV 和 PVC 的生命周期分离，但它们紧密关联。当 PVC 被删除时，Kubernetes 会根据 PV 的回收策略来决定如何处理 PV。

PV 和 PVC 的回收策略

当 PVC 被删除后，PV 的回收策略决定了 Kubernetes 如何处理 PV：

• Retain：PVC 释放后，PV 中的数据保留。管理员需要手动处理 PV（如删除或清理数据后重新使用）。
• Delete：PVC 释放后，PV 和其中的存储资源会被自动删除。这种策略常用于云存储，特别是在动态创建 PV 的场景中。
• Recycle：PVC 释放后，PV 中的数据会被清空并再次分配给新的 PVC 使用。然而，Recycle 策略已经被弃用，建议使用 Delete 策略替代。

PV 和 PVC 最佳实践

使用动态存储类（StorageClass）

在大多数场景中，建议使用 StorageClass 来实现动态 PV 的创建和绑定，这样可以避免手动创建 PV 的麻烦。StorageClass 可以帮助管理不同类型的存储需求，如 SSD 和 HDD，甚至可以为不同的存储提供不同的 QoS（质量服务）。

StorageClass 的配置示例

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-storage
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
  fsType: ext4
  encrypted: "true"
reclaimPolicy: Delete
allowVolumeExpansion: true

在这个示例中：

• provisioner：指定了使用 AWS EBS 作为存储提供者。
• parameters：定义了存储的具体类型（gp2），文件系统（ext4），以及是否启用存储加密。
• reclaimPolicy：设置为 Delete，表明当 PVC 被删除时，PV 和存储资源都会被销毁。
• allowVolumeExpansion：启用存储卷扩展功能，允许在 PVC 增加存储请求后动态扩展卷。

选择合适的访问模式

PV 支持多种访问模式（ReadWriteOnce, ReadOnlyMany, ReadWriteMany），选择合适的访问模式对应用性能和稳定性至关重要。例如：

• ReadWriteOnce (RWO)：适合单实例的应用程序或数据库使用，例如 MySQL、PostgreSQL。
• ReadWriteMany (RWX)：适合多实例访问的共享存储场景，例如 NFS，可以允许多个 Pod 同时对数据进行读写。
• ReadOnlyMany (ROX)：适合共享静态内容的应用，如内容分发或日志共享。

PVC 的容量扩展

如果 PVC 绑定的存储资源不够使用，可以通过调整 PVC 请求的存储容量来动态扩展存储卷（前提是存储提供支持该功能，并且启用了 allowVolumeExpansion）。

PVC 扩展示例

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-expand-example
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 20Gi
  storageClassName: fast-storage

在这个示例中，原本的存储容量是 10Gi，现在请求扩展为 20Gi。Kubernetes 会根据底层存储的支持情况，自动扩展存储卷的大小。

存储回收策略

根据业务需求，合理选择 PV 的回收策略。常见的回收策略包括：

• Retain：适合需要保留数据手动处理的场景。比如需要保存数据库快照或者手动转移数据的场景。
• Delete：适合动态存储环境，PVC 删除后自动清理存储资源。
• Recycle：虽然已经弃用，但在一些场景下仍然可以通过清理数据后重复使用。

PV 和 PVC 的生命周期管理

为了避免存储资源浪费，管理员需要定期检查未绑定的 PVC 和未使用的 PV，避免遗留的存储资源影响整体集群性能。此外，确保 PVC 的生命周期与实际业务需求匹配，例如当 Pod 被删除后是否需要继续保留存储。

总结

Kubernetes 的 PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC) 提供了一种灵活而强大的存储管理机制，它们可以跨越 Pod 的生命周期，保持数据的持久性。通过使用 PV，应用程序可以利用多种存储系统，包括本地存储、共享存储和云存储。PVC 使用户能够声明他们的存储需求，Kubernetes 会自动处理底层的存储资源分配和管理。此外，通过 StorageClass，还可以实现存储资源的动态创建和配置。

一些最佳实践包括：

• 尽量使用 StorageClass 实现动态存储管理，简化运维。
• 根据应用的特点选择合适的访问模式，确保性能和稳定性。
• 动态扩展 PVC 的容量以应对业务增长需求。
• 定期检查未绑定的 PVC 和未使用的 PV，避免资源浪费。

PV 和 PVC 的结合使用，帮助 Kubernetes 集群中的应用程序无缝访问持久化存储资源，是构建可靠、可扩展云原生应用程序的关键。