Kubernetes怎样管理Linux资源 - 问答

Kubernetes管理Linux资源的核心机制与实践

1. 资源请求（Requests）与限制（Limits）：基础管控手段

Kubernetes通过**资源请求（Requests）和资源限制（Limits）**实现对Linux节点资源（CPU、内存等）的精细化管控，是资源管理的核心工具。

资源请求（Requests）：定义容器正常运行所需的最小资源量，是Kubernetes调度Pod的关键依据。调度器仅会将Pod分配到“可用资源≥容器Requests总和”的节点上，确保Pod启动时有足够资源。例如，若容器配置requests.cpu: "250m"（0.25核）、requests.memory: "64Mi"，调度器只会选择CPU剩余≥0.25核、内存剩余≥64Mi的节点。
资源限制（Limits）：定义容器运行时的最大资源用量，用于防止容器过度占用资源导致节点不稳定。当容器超过限制时，Kubernetes会采取强制措施：
- CPU限制：通过Linux内核的CGroup CPU节流机制，限制容器对CPU时间片的占用（如限制为0.5核，则容器最多使用50%的CPU时间）。
- 内存限制：通过Linux内核的OOM（内存溢出） Killer机制，当容器内存使用超过限制时，终止进程（若进程为容器PID 1且Pod可重启，Kubernetes会自动重启容器）。
  需注意：若未设置资源请求，Kubernetes会将限制值作为请求值使用；若未设置限制，容器可能无限制使用资源（需结合资源配额限制）。

2. 资源配额（Resource Quotas）：防止资源滥用

为避免单个命名空间或用户过度占用集群资源，Kubernetes通过ResourceQuota对象限制命名空间内的资源总量。可限制的资源包括：

计算资源：requests.cpu、limits.cpu、requests.memory、limits.memory；
存储资源：persistentvolumeclaims（PVC数量）、storage（存储容量）；
对象数量：pods、services等。
例如，配置一个命名空间的资源配额，限制其最多使用2核CPU、4Gi内存、10个PVC：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: my-quota
  namespace: my-namespace
spec:
  hard:
    requests.cpu: "2"
    requests.memory: 4Gi
    persistentvolumeclaims: "10"

资源配额能有效防止单个团队或应用独占集群资源，保障集群的公平性和稳定性。

3. 节点资源保护：保障系统稳定性

Kubernetes通过节点资源预留和Linux OOM管理，确保节点自身及关键系统进程的正常运行。

节点资源预留：通过kube-reserved（Kubernetes组件预留资源）、system-reserved（系统进程预留资源）参数，为kubelet、Docker、内核等预留资源。例如，在kubelet配置中设置：
```
kube-reserved:
  cpu: "500m"
  memory: "1Gi"
  ephemeral-storage: "1Gi"
system-reserved:
  cpu: "1"
  memory: "1Gi"
  ephemeral-storage: "1Gi"
```
这些预留资源会从节点总资源中扣除，避免Kubernetes组件或系统进程因资源不足而崩溃。
OOM管理：当节点内存不足时，Linux内核的OOM Killer会根据进程的OOM分数（oom_score）终止进程。Kubernetes会调整Pod的OOM分数（oom_score_adj），优先终止低优先级的Pod（如BestEffort类型的Pod），保护关键Pod（如Guaranteed类型的Pod）。

4. 动态资源管理：提升集群利用率

Kubernetes通过Horizontal Pod Autoscaler（HPA）和Cluster Autoscaler实现资源的动态调整，提升集群利用率。

HPA（水平Pod自动扩缩容）：根据Pod的CPU、内存或自定义指标（如QPS、延迟）利用率，自动调整Pod副本数。例如，配置HPA当Pod CPU利用率超过70%时，自动扩容2个副本：

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: my-hpa
  namespace: my-namespace
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: my-deployment
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 70

Cluster Autoscaler（集群自动扩缩容）：根据节点资源利用率（如CPU、内存使用率超过80%），自动添加新节点；当节点资源闲置（如使用率低于30%），自动删除节点。动态扩缩容能有效应对流量波动，避免资源浪费。

5. 特殊资源管理：满足多样化需求

除常规计算资源外，Kubernetes还支持巨页（Huge Pages）、GPU/Device Plugin等特殊资源的管理。

巨页（Huge Pages）：Linux特有的大内存页技术（默认页大小为4KiB，巨页通常为2MiB或1GiB），能减少内存管理开销，提升内存密集型应用（如数据库、高性能计算）的性能。Kubernetes通过hugepages-<size>资源类型支持巨页配置，例如：
```
resources:
  limits:
    hugepages-2Mi: "80Mi"  # 请求80个2MiB的巨页（共160MiB）
```
需注意：巨页资源不能过量使用（如不能超过节点总内存），否则会导致Pod调度失败。
GPU/Device Plugin：对于需要GPU加速的应用（如深度学习、AI推理），Kubernetes通过Device Plugin机制将GPU资源暴露给容器。例如，安装NVIDIA Device Plugin后，可在Pod中配置GPU资源请求：
```
resources:
  limits:
    nvidia.com/gpu: 1  # 请求1个GPU
```
Device Plugin会自动将GPU设备挂载到容器中，支持多GPU分配。

6. 监控与排查：保障资源管理有效性

Kubernetes通过kubelet收集Pod的资源使用数据（如CPU、内存、存储用量），并将其纳入Pod的status中。可通过以下方式监控资源使用：

命令行工具：kubectl top pods（查看Pod的CPU/内存使用量）、kubectl describe node（查看节点的资源分配情况）；
监控系统：集成Prometheus+Grafana，可视化集群资源使用趋势，设置告警规则（如Pod内存使用超过90%时触发告警）；
日志分析：通过EFK（Elasticsearch+Fluentd+Kibana）栈收集容器日志，排查资源瓶颈（如应用内存泄漏）。

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