Kubernetes 源码剖析之 WorkQueue 队列 | 文末送书

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文末直接送 5 本《Kubernetes 源码剖析》。

在 Kubernetes 系统中，组件之间通过 HTTP 协议进行通信，在不依赖任何中间件的情况下需要保证消息的实时性、可靠性、顺序性等。那么 Kubernetes 是如何做到的呢？答案就是 Informer 机制。Kubernetes 的其他组件都是通过 client-go 的 Informer 机制与 Kubernetes API Server 进行通信的。

而 Informer 又需要和 Reflector、Delta FIFO Queue、Workqueue 等协同工作，具体可以参考我之前的一篇文章：从 Kubernetes 资源控制到开放应用模型，控制器的进化之旅。

本文主要通过 WorkQueue 的源码来分析其工作原理。

WorkQueue 称为工作队列，Kubernetes 的 WorkQueue 队列与普通 FIFO（先进先出，First-In, First-Out）队列相比，实现略显复杂，它的主要功能在于标记和去重，并支持如下特性。

• 有序：按照添加顺序处理元素（item）。
• 去重：相同元素在同一时间不会被重复处理，例如一个元素在处理之前被添加了多次，它只会被处理一次。
• 并发性：多生产者和多消费者。
• 标记机制：支持标记功能，标记一个元素是否被处理，也允许元素在处理时重新排队。
• 通知机制：ShutDown 方法通过信号量通知队列不再接收新的元素，并通知 metric goroutine 退出。
• 延迟：支持延迟队列，延迟一段时间后再将元素存入队列。
• 限速：支持限速队列，元素存入队列时进行速率限制。限制一个元素被重新排队（Reenqueued）的次数。
• Metric：支持 metric 监控指标，可用于 Prometheus 监控。

WorkQueue 支持 3 种队列，并提供了 3 种接口，不同队列实现可应对不同的使用场景，分别介绍如下。

• Interface：FIFO 队列接口，先进先出队列，并支持去重机制。
• DelayingInterface：延迟队列接口，基于 Interface 接口封装，延迟一段时间后再将元素存入队列。
• RateLimitingInterface：限速队列接口，基于 DelayingInterface 接口封装，支持元素存入队列时进行速率限制。

1. FIFO 队列

FIFO 队列支持最基本的队列方法，例如插入元素、获取元素、获取队列长度等。另外，WorkQueue 中的限速及延迟队列都基于 Interface 接口实现，其提供如下方法：

// 代码路径：vendor/k8s.io/client-go/util/workqueue/queue.go

type Interface interface {

    Add(item interface{})

    Len() int

    Get() (item interface{}, shutdown bool)

    Done(item interface{})

    ShutDown()

    ShuttingDown() bool

}

FIFO 队列 Interface 方法说明如下。

• Add：给队列添加元素（item），可以是任意类型元素。
• Len：返回当前队列的长度。
• Get：获取队列头部的一个元素。
• Done：标记队列中该元素已被处理。
• ShutDown：关闭队列。
• ShuttingDown：查询队列是否正在关闭。

FIFO 队列数据结构如下：

type Type struct {

    queue []t

    dirty set

    processing set

    cond *sync.Cond

    shuttingDown bool

    metrics queueMetrics

    unfinishedWorkUpdatePeriod time.Duration

    clock                      clock.Clock

}

FIFO 队列数据结构中最主要的字段有 queue、dirty 和 processing。其中 queue 字段是实际存储元素的地方，它是 slice 结构的，用于保证元素有序；dirty 字段非常关键，除了能保证去重，还能保证在处理一个元素之前哪怕其被添加了多次（并发情况下），但也只会被处理一次；processing 字段用于标记机制，标记一个元素是否正在被处理。应根据 WorkQueue 的特性理解源码的实现，FIFO 存储过程如图 5-9 所示：

图5-9 FIFO存储过程

通过 Add 方法往 FIFO 队列中分别插入 1、2、3 这 3 个元素，此时队列中的 queue 和 dirty 字段分别存有 1、2、3 元素，processing 字段为空。然后通过 Get 方法获取最先进入的元素（也就是 1 元素），此时队列中的 queue 和 dirty 字段分别存有 2、3 元素，而 1 元素会被放入 processing 字段中，表示该元素正在被处理。最后，当我们处理完 1 元素时，通过 Done 方法标记该元素已经被处理完成，此时队列中的 processing 字段中的 1 元素会被删除。

如图 5-9 所示，这是 FIFO 队列的存储流程，在正常的情况下，FIFO 队列运行在并发场景下。高并发下如何保证在处理一个元素之前哪怕其被添加了多次，但也只会被处理一次？下面进行讲解，FIFO 并发存储过程如图 5-10 所示。

图5-10 FIFO并发存储过程

如图 5-10 所示，在并发场景下，假设 goroutine A 通过 Get 方法获取 1 元素，1 元素被添加到 processing 字段中，同一时间，goroutine B 通过 Add 方法插入另一个 1 元素，此时在 processing 字段中已经存在相同的元素，所以后面的 1 元素并不会被直接添加到 queue 字段中，当前 FIFO 队列中的 dirty 字段中存有 1、2、3 元素，processing 字段存有 1 元素。在 goroutine A 通过 Done 方法标记处理完成后，如果 dirty 字段中存有 1 元素，则将 1 元素追加到 queue 字段中的尾部。需要注意的是，dirty 和 processing 字段都是用 Hash Map 数据结构实现的，所以不需要考虑无序，只保证去重即可。

2. 延迟队列

延迟队列，基于 FIFO 队列接口封装，在原有功能上增加了 AddAfter 方法，其原理是延迟一段时间后再将元素插入 FIFO 队列。延迟队列数据结构如下：

// 代码路径：vendor/k8s.io/client-go/util/workqueue/delaying_queue.go

type DelayingInterface interface {
    Interface
    AddAfter(item interface{}, duration time.Duration)
}

type delayingType struct {
    Interface
    clock clock.Clock
    stopCh chan struct{}
    heartbeat clock.Ticker
    waitingForAddCh chan *waitFor
    metrics           retryMetrics
    deprecatedMetrics retryMetrics
}

AddAfter 方法会插入一个 item（元素）参数，并附带一个 duration（延迟时间）参数，该 duration 参数用于指定元素延迟插入 FIFO 队列的时间。如果 duration 小于或等于 0，会直接将元素插入 FIFO 队列中。

delayingType 结构中最主要的字段是 waitingForAddCh，其默认初始大小为 1000，通过 AddAfter 方法插入元素时，是非阻塞状态的，只有当插入的元素大于或等于 1000 时，延迟队列才会处于阻塞状态。waitingForAddCh 字段中的数据通过 goroutine 运行的 waitingLoop 函数持久运行。延迟队列运行原理如图 5-11 所示。

图5-11 延迟队列运行原理

如图 5-11 所示，将元素 1 放入 waitingForAddCh 字段中，通过 waitingLoop 函数消费元素数据。当元素的延迟时间不大于当前时间时，说明还需要延迟将元素插入 FIFO 队列的时间，此时将该元素放入优先队列（waitForPriorityQueue）中。当元素的延迟时间大于当前时间时，则将该元素插入 FIFO 队列中。另外，还会遍历优先队列（waitForPriorityQueue）中的元素，按照上述逻辑验证时间。

3. 限速队列

限速队列，基于延迟队列和 FIFO 队列接口封装，限速队列接口（RateLimitingInterface）在原有功能上增加了 AddRateLimited、Forget、NumRequeues 方法。限速队列的重点不在于 RateLimitingInterface 接口，而在于它提供的 4 种限速算法接口（RateLimiter）。其原理是，限速队列利用延迟队列的特性，延迟某个元素的插入时间，达到限速目的。RateLimiter 数据结构如下：

// 代码路径：vendor/k8s.io/client-go/util/workqueue/default_rate_limiters.go

type RateLimiter interface {
    When(item interface{}) time.Duration
    Forget(item interface{})
    NumRequeues(item interface{}) int
}

限速队列接口方法说明如下。

• When：获取指定元素应该等待的时间。
• Forget：释放指定元素，清空该元素的排队数。
• NumRequeues：获取指定元素的排队数。

注意：这里有一个非常重要的概念——限速周期。限速周期是指从执行 AddRateLimited 方法到执行完 Forget 方法之前的时间。如果该元素被 Forget 方法处理完，从清空队列数。

下面会分别详解 WorkQueue 提供的 4 种限速算法，应对不同的场景，这 4 种限速算法分别如下。

• 令牌桶算法（BucketRateLimiter）。
• 排队指数算法（ItemExponentialFailureRateLimiter）。
• 计数器算法（ItemFastSlowRateLimiter）。
• 混合模式（MaxOfRateLimiter），将多种限速算法混合使用。

令牌桶算法

令牌桶算法是通过 Go 语言的第三方库 golang.org/x/time/rate 实现的。令牌桶算法内部实现了一个存放 token（令牌）的“桶”，初始时“桶”是空的，token 会以固定速率往“桶”里填充，直到将其填满为止，多余的 token 会被丢弃。每个元素都会从令牌桶得到一个 token，只有得到 token 的元素才允许通过（accept），而没有得到 token 的元素处于等待状态。令牌桶算法通过控制发放 token 来达到限速目的。令牌桶算法原理如图 5-12 所示。

图5-12 令牌桶算法原理

WorkQueue 在默认的情况下会实例化令牌桶，代码示例如下：

rate.NewLimiter(rate.Limit(10), 100)

在实例化 rate.NewLimiter 后，传入 r 和 b 两个参数，其中 r 参数表示每秒往“桶”里填充的 token 数量，b 参数表示令牌桶的大小（即令牌桶最多存放的 token 数量）。我们假定 r 为 10，b 为 100。假设在一个限速周期内插入了 1000 个元素，通过 r.Limiter.Reserve().Delay 函数返回指定元素应该等待的时间，那么前 b（即 100）个元素会被立刻处理，而后面元素的延迟时间分别为 item100/100ms、item101/200ms、item102/300ms、item103/400ms，以此类推。

排队指数算法

排队指数算法将相同元素的排队数作为指数，排队数增大，速率限制呈指数级增长，但其最大值不会超过 maxDelay。元素的排队数统计是有限速周期的，一个限速周期是指从执行 AddRateLimited 方法到执行完 Forget 方法之间的时间。如果该元素被 Forget 方法处理完，则清空排队数。排队指数算法的核心实现代码示例如下：

// 代码路径：vendor/k8s.io/client-go/util/workqueue/default_rate_limiters.go

r.failures[item] = r.failures[item] + 1
backoff := float64(r.baseDelay.Nanoseconds()) * math.Pow(2, float64(exp))
if backoff > math.MaxInt64 {
    return r.maxDelay
}

该算法提供了 3 个主要字段：failures、baseDelay、maxDelay。其中，failures 字段用于统计元素排队数，每当 AddRateLimited 方法插入新元素时，会为该字段加 1；另外，baseDelay 字段是最初的限速单位（默认为 5ms），maxDelay 字段是最大限速单位（默认为 1000s）。排队指数增长趋势如图 5-13 所示。

图5-13 排队指数增长趋势

限速队列利用延迟队列的特性，延迟多个相同元素的插入时间，达到限速目的。

注意：在同一限速周期内，如果不存在相同元素，那么所有元素的延迟时间为 baseDelay；而在同一限速周期内，如果存在相同元素，那么相同元素的延迟时间呈指数级增长，最长延迟时间不超过 baseDelay。

们假定 baseDelay 是 1 * time.Millisecond，maxDelay 是 1000 * time.Second。假设在一个限速周期内通过 AddRateLimited 方法插入 10 个相同元素，那么第 1 个元素会通过延迟队列的 AddAfter 方法插入并设置延迟时间为 1ms（即 baseDelay），第 2 个相同元素的延迟时间为 2ms，第 3 个相同元素的延迟时间为 4ms，第 4 个相同元素的延迟时间为 8ms，第 5 个相同元素的延迟时间为 16ms……第 10 个相同元素的延迟时间为 512ms，最长延迟时间不超过 1000s（即 maxDelay）。

计数器算法

计数器算法是限速算法中最简单的一种，其原理是：限制一段时间内允许通过的元素数量，例如在 1 分钟内只允许通过 100 个元素，每插入一个元素，计数器自增 1，当计数器数到 100 的阈值且还在限速周期内时，则不允许元素再通过。但 WorkQueue 在此基础上扩展了 fast 和 slow 速率。

计数器算法提供了 4 个主要字段：failures、fastDelay、slowDelay 及 maxFastAttempts。其中，failures 字段用于统计元素排队数，每当 AddRateLimited 方法插入新元素时，会为该字段加 1；而 fastDelay 和 slowDelay 字段是用于定义 fast、slow 速率的；另外，maxFastAttempts 字段用于控制从 fast 速率转换到 slow 速率。计数器算法核心实现的代码示例如下：

r.failures[item] = r.failures[item] + 1
if r.failures[item] <= r.maxFastAttempts {
    return r.fastDelay
}
return r.slowDelay

假设 fastDelay 是 5 * time.Millisecond，slowDelay 是 10 * time.Second，maxFastAttempts 是 3。在一个限速周期内通过 AddRateLimited 方法插入 4 个相同的元素，那么前 3 个元素使用 fastDelay 定义的 fast 速率，当触发 maxFastAttempts 字段时，第 4 个元素使用 slowDelay 定义的 slow 速率。

混合模式

混合模式是将多种限速算法混合使用，即多种限速算法同时生效。例如，同时使用排队指数算法和令牌桶算法，代码示例如下：

func DefaultControllerRateLimiter() RateLimiter {
    return NewMaxOfRateLimiter(
        NewItemExponentialFailureRateLimiter(5*time.Millisecond, 1000*time.Second),
        &BucketRateLimiter{Limiter: rate.NewLimiter(rate.Limit(10), 100)},
    )
}