Kubernetes StatefulSet：有狀態服務（數據庫）部署方案詳情 - mysql,Pod,數據庫,kubernetes,雲計算萌萌朵朵開博客

之前在K8s上部署MySQL集羣時踩過一個坑：用Deployment部署的三個數據庫實例，每次重啓後名稱和IP都變了，導致主從複製關係頻繁中斷。後來才明白，像數據庫這種有狀態服務，不能用 Deployment 這種管理無狀態應用的控制器，而應該用 StatefulSet。

Kubernetes 中的 StatefulSet 專為有狀態服務設計，它能保證 Pod 的名稱、網絡標識和存儲的穩定性，非常適合部署數據庫、分佈式緩存等需要固定身份和持久化狀態的應用。本文結合 MySQL 主從集羣的部署案例，詳解 StatefulSet 的核心特性、使用方法以及與數據庫部署相關的最佳實踐。

一、StatefulSet 與 Deployment 的核心區別

無狀態服務（如 Web 應用）的實例可以隨意替換，而有狀態服務（如數據庫）需要：

固定的身份標識（名稱、網絡地址）
穩定的持久化存儲
有序的部署和擴展

StatefulSet 與 Deployment 的關鍵差異：

特性	Deployment	StatefulSet
Pod 名稱	隨機生成（如 app-7f89b456d9）	固定格式（如 mysql-0、mysql-1）
網絡標識	共享 Service 地址	每個 Pod 有唯一 DNS 記錄
存儲	共享 PVC 模板	每個 Pod 綁定獨立 PVC
部署/擴展順序	並行	有序（依次創建/刪除）

對於數據庫來説，固定的名稱和網絡標識是主從複製、集羣通信的基礎，而獨立的存儲則能保證數據不隨 Pod 重建而丟失——這些正是 StatefulSet 的核心優勢。

二、用 StatefulSet 部署 MySQL 主從集羣

以 MySQL 一主兩從架構為例，演示 StatefulSet 的部署過程。

1. 準備工作：創建存儲和網絡

步驟 1：創建持久卷聲明（PVC）模板

StatefulSet 通過 PVC 模板為每個 Pod 自動創建獨立存儲：

# mysql-storage.yaml
apiVersion: v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: mysql-storage
provisioner: k8s.io/minikube-hostpath  # 本地測試用，生產用實際存儲插件
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mysql-data  # 模板會為每個Pod創建 mysql-data-mysql-0、mysql-data-mysql-1 等
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: mysql-storage
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

步驟 2：創建 Headless Service

Headless Service 不為服務分配集羣 IP，而是為每個 Pod 提供固定 DNS 記錄（格式：pod-name.service-name.namespace.svc.cluster.local）：

# mysql-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
spec:
  selector:
    app: mysql
  clusterIP: None  # 聲明為 Headless Service
  ports:
    - port: 3306
      name: mysql

2. 定義 StatefulSet 配置

# mysql-statefulset.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql  # 關聯 Headless Service
  replicas: 3  # 3個實例（1主2從）
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:8.0
        ports:
        - containerPort: 3306
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "root123"
        - name: MYSQL_REPLICA_USER
          value: "replica"
        - name: MYSQL_REPLICA_PASSWORD
          value: "replica123"
        volumeMounts:
        - name: mysql-data
          mountPath: /var/lib/mysql
        - name: init-scripts
          mountPath: /docker-entrypoint-initdb.d  # 初始化腳本目錄
      volumes:
      - name: init-scripts
        configMap:
          name: mysql-init  # 包含主從配置腳本的 ConfigMap
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: mysql-data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "mysql-storage"
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

3. 配置主從複製初始化腳本

創建 ConfigMap 存儲主從複製的初始化邏輯：

# mysql-init-configmap.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql-init
data:
  init-replica.sh: |
    #!/bin/bash
    # 根據Pod名稱判斷角色（mysql-0為主庫，其他為從庫）
    if [ "$(hostname)" = "mysql-0" ]; then
      # 主庫配置：開啓二進制日誌，創建複製用户
      echo "server-id=1" >> /etc/mysql/conf.d/replica.cnf
      echo "log_bin=/var/lib/mysql/mysql-bin.log" >> /etc/mysql/conf.d/replica.cnf
      mysql -uroot -p$MYSQL_ROOT_PASSWORD -e "CREATE USER '$MYSQL_REPLICA_USER'@'%' IDENTIFIED BY '$MYSQL_REPLICA_PASSWORD'; GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO '$MYSQL_REPLICA_USER'@'%';"
    else
      # 從庫配置：設置server-id，連接主庫
      echo "server-id=$(echo $(hostname) | awk -F'-' '{print $2+100}')" >> /etc/mysql/conf.d/replica.cnf
      # 等待主庫就緒
      until mysql -h mysql-0.mysql -uroot -p$MYSQL_ROOT_PASSWORD -e "SELECT 1"; do
        sleep 5
      done
      # 配置主從複製（主庫地址為mysql-0的DNS）
      mysql -uroot -p$MYSQL_ROOT_PASSWORD -e "CHANGE MASTER TO MASTER_HOST='mysql-0.mysql', MASTER_USER='$MYSQL_REPLICA_USER', MASTER_PASSWORD='$MYSQL_REPLICA_PASSWORD', MASTER_LOG_FILE='mysql-bin.000001', MASTER_LOG_POS=154; START SLAVE;"
    fi

這個腳本通過 Pod 名稱（mysql-0、mysql-1、mysql-2）區分主從角色，從庫通過 Headless Service 的 DNS（mysql-0.mysql）連接主庫，確保網絡標識穩定。

4. 部署並驗證

依次創建上述資源：

kubectl apply -f mysql-storage.yaml
kubectl apply -f mysql-service.yaml
kubectl apply -f mysql-init-configmap.yaml
kubectl apply -f mysql-statefulset.yaml

查看 StatefulSet 狀態：

kubectl get statefulset mysql
kubectl get pods -l app=mysql  # 應顯示 mysql-0、mysql-1、mysql-2 三個Pod

驗證主從複製：

# 進入主庫查看狀態
kubectl exec -it mysql-0 -- mysql -uroot -proot123 -e "SHOW MASTER STATUS;"

# 進入從庫查看複製狀態
kubectl exec -it mysql-1 -- mysql -uroot -proot123 -e "SHOW SLAVE STATUS\G"

若從庫的 Slave_IO_Running 和 Slave_SQL_Running 均為 Yes，説明主從複製配置成功。

三、StatefulSet 核心特性解析

1. 穩定的網絡標識

每個 Pod 的 DNS 格式為 <pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local，例如 mysql-0.mysql.default.svc.cluster.local。即使 Pod 重建，只要名稱不變，DNS 記錄就不變，避免主從連接中斷。

2. 有序部署與擴展

部署時，按 0→1→2 的順序創建 Pod，前一個 Pod 就緒後才創建下一個；
擴展（kubectl scale statefulset mysql --replicas=4）時，按同樣順序新增；
縮容時，按 2→1→0 的逆序刪除，確保數據一致性。

這種有序性對數據庫集羣至關重要，例如主庫必須先於從庫啓動。

3. 穩定的存儲

通過 volumeClaimTemplates，每個 Pod 會綁定獨立的 PVC（如 mysql-data-mysql-0 對應 mysql-0），即使 Pod 被刪除重建，新 Pod 仍會掛載原 PVC，保證數據不丟失。

四、數據庫部署最佳實踐

1. 數據備份策略

StatefulSet 保證了存儲的穩定性，但仍需定期備份數據：

# 示例：備份 mysql-0 的數據到本地
kubectl exec -it mysql-0 -- mysqldump -uroot -proot123 --all-databases > backup-$(date +%F).sql

生產環境建議結合定時任務（CronJob）自動備份，並將備份文件存儲到外部存儲（如 S3）。

2. 資源限制

為數據庫 Pod 設置 CPU 和內存限制，避免資源爭搶：

spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        resources:
          requests:
            cpu: 1000m
            memory: 1Gi
          limits:
            cpu: 2000m
            memory: 2Gi

3. 健康檢查

配置存活探針（livenessProbe）和就緒探針（readinessProbe），及時發現並重啓故障實例：

livenessProbe:
  exec:
    command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p$MYSQL_ROOT_PASSWORD"]
  initialDelaySeconds: 30
  periodSeconds: 10
readinessProbe:
  exec:
    command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p$MYSQL_ROOT_PASSWORD"]
  initialDelaySeconds: 5
  periodSeconds: 5

4. 避免單點故障

主庫故障時，可通過工具（如 Orchestrator）自動將從庫提升為主庫；
結合 StatefulSet 的有序更新（kubectl rollout restart statefulset mysql），實現無感知升級。

五、StatefulSet 的適用場景

除了數據庫（MySQL、PostgreSQL），StatefulSet 還適合部署這些有狀態服務：

分佈式緩存（Redis Cluster、Memcached 集羣）
消息隊列（Kafka、RabbitMQ 集羣）
分佈式存儲（Ceph、GlusterFS）

這些服務都需要固定的身份標識、持久化存儲或集羣內節點通信，StatefulSet 能很好地滿足這些需求。

總結

StatefulSet 為有狀態服務提供了穩定的身份標識、存儲和部署順序，是 K8s 中部署數據庫等狀態服務的最佳選擇。相比 Deployment，它通過 Headless Service 保證網絡穩定性，通過 PVC 模板實現存儲隔離，通過有序操作確保集羣一致性。

實際部署數據庫時，還需結合備份策略、資源限制和健康檢查，才能構建高可用的數據庫集羣。理解 StatefulSet 的核心特性，不僅能解決數據庫部署難題，也能加深對 K8s 編排能力的理解——畢竟，管好狀態，才能管好服務。

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