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Kubernetes Liveness 與 Readiness 探針

Kubernetes Liveness and Readiness Probes Configuration

前言

在 Kubernetes 叢集中運行應用程式時，確保容器健康狀態是維持服務可靠性的關鍵。Kubernetes 提供了三種探針（Probes）機制來監控容器的健康狀況：Liveness Probe、Readiness Probe 和 Startup Probe。本文將深入介紹這三種探針的用途、配置方式以及最佳實踐。

探針概述

探針是 kubelet 對容器執行的定期診斷。Kubernetes 透過探針來判斷容器的狀態，並根據結果採取相應的行動，例如重啟容器或將其從服務端點中移除。

探針類型比較

探針類型用途失敗時的行為
Liveness Probe檢測容器是否正在運行重啟容器
Readiness Probe檢測容器是否準備好接收流量從 Service 端點移除
Startup Probe檢測應用程式是否已啟動完成阻止其他探針執行直到成功

Liveness vs Readiness vs Startup

Liveness Probe（存活探針）

Liveness Probe 用於判斷容器是否仍在運行。如果探測失敗，kubelet 會終止容器，並根據重啟策略決定是否重新啟動。

適用場景：

  • 應用程式進入死鎖狀態
  • 應用程式執行緒耗盡
  • 應用程式無法自我恢復的情況

Readiness Probe（就緒探針）

Readiness Probe 用於判斷容器是否已準備好接收請求。只有當探測成功時，Pod 才會被加入 Service 的端點列表中。

適用場景：

  • 應用程式需要載入大量資料
  • 應用程式依賴外部服務
  • 需要進行暖機操作

Startup Probe（啟動探針）

Startup Probe 用於判斷容器內的應用程式是否已啟動。在 Startup Probe 成功之前，Liveness 和 Readiness Probe 都會被禁用。

適用場景：

  • 啟動時間較長的舊有應用程式
  • 初始化過程複雜的應用程式
  • 需要避免過早被 Liveness Probe 終止的情況

HTTP 探針設定

HTTP 探針是最常用的探針類型，透過向容器發送 HTTP GET 請求來檢測健康狀態。

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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: http-probe-demo
  labels:
    app: web
spec:
  containers:
  - name: web-app
    image: nginx:1.24
    ports:
    - containerPort: 80
    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /healthz
        port: 80
        httpHeaders:
        - name: Custom-Header
          value: Awesome
      initialDelaySeconds: 15
      periodSeconds: 10
      timeoutSeconds: 5
      successThreshold: 1
      failureThreshold: 3
    readinessProbe:
      httpGet:
        path: /ready
        port: 80
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 5
      timeoutSeconds: 3
      successThreshold: 1
      failureThreshold: 3

HTTP 探針會根據回應的 HTTP 狀態碼判斷結果：

  • 200-399：探測成功
  • 其他狀態碼：探測失敗

TCP 探針設定

TCP 探針透過嘗試建立 TCP 連線來檢測容器健康狀態，適合不提供 HTTP 端點的服務。

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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: tcp-probe-demo
  labels:
    app: database
spec:
  containers:
  - name: mysql
    image: mysql:8.0
    ports:
    - containerPort: 3306
    env:
    - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
      value: "password123"
    livenessProbe:
      tcpSocket:
        port: 3306
      initialDelaySeconds: 30
      periodSeconds: 10
      timeoutSeconds: 5
      failureThreshold: 3
    readinessProbe:
      tcpSocket:
        port: 3306
      initialDelaySeconds: 10
      periodSeconds: 5
      timeoutSeconds: 3
      failureThreshold: 3

TCP 探針適用於：

  • 資料庫服務（MySQL、PostgreSQL、Redis）
  • 訊息佇列（RabbitMQ、Kafka）
  • 其他基於 TCP 的服務

Exec 探針設定

Exec 探針在容器內執行指定的命令，根據命令的退出碼判斷健康狀態。

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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: exec-probe-demo
  labels:
    app: backend
spec:
  containers:
  - name: app
    image: busybox:1.36
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - touch /tmp/healthy; sleep 600
    livenessProbe:
      exec:
        command:
        - cat
        - /tmp/healthy
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 10
      timeoutSeconds: 5
      failureThreshold: 3
    readinessProbe:
      exec:
        command:
        - sh
        - -c
        - "test -f /tmp/ready && exit 0 || exit 1"
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 5
      failureThreshold: 3

Exec 探針適用於：

  • 需要執行複雜健康檢查邏輯
  • 檢查檔案或資源是否存在
  • 執行自訂的健康檢查腳本

探針參數配置

所有探針類型都支援以下配置參數：

參數說明預設值
initialDelaySeconds容器啟動後等待多久開始探測0
periodSeconds探測間隔時間10
timeoutSeconds探測超時時間1
successThreshold連續成功多少次視為成功1
failureThreshold連續失敗多少次視為失敗3

完整配置範例

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: webapp
  labels:
    app: webapp
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: webapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: webapp
    spec:
      containers:
      - name: webapp
        image: myapp:1.0
        ports:
        - containerPort: 8080
        startupProbe:
          httpGet:
            path: /startup
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 10
          periodSeconds: 5
          timeoutSeconds: 3
          failureThreshold: 30
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /healthz
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 0
          periodSeconds: 15
          timeoutSeconds: 5
          failureThreshold: 3
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /ready
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 0
          periodSeconds: 5
          timeoutSeconds: 3
          failureThreshold: 3

常見配置錯誤

1. initialDelaySeconds 設定過短

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# 錯誤示範：應用程式需要 30 秒啟動，但只等待 5 秒
livenessProbe:
  httpGet:
    path: /healthz
    port: 8080
  initialDelaySeconds: 5  # 太短！
  failureThreshold: 3

這會導致容器在應用程式啟動完成前就被判定為不健康而重啟，形成重啟循環。

2. timeoutSeconds 設定過短

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# 錯誤示範：健康檢查端點需要 3 秒回應，但超時設為 1 秒
livenessProbe:
  httpGet:
    path: /healthz
    port: 8080
  timeoutSeconds: 1  # 太短！

3. Liveness 和 Readiness 使用相同設定

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# 錯誤示範：兩種探針應有不同的設定
livenessProbe:
  httpGet:
    path: /health
    port: 8080
  periodSeconds: 5
  failureThreshold: 1
readinessProbe:
  httpGet:
    path: /health  # 應該使用不同的端點
    port: 8080
  periodSeconds: 5  # 應該更頻繁
  failureThreshold: 1  # 應該更寬鬆

4. 未考慮依賴服務的健康檢查

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# 錯誤示範：Liveness Probe 不應檢查外部依賴
livenessProbe:
  httpGet:
    path: /health  # 此端點檢查資料庫連線
    port: 8080

如果 Liveness Probe 檢查外部依賴，當依賴服務故障時會導致所有 Pod 重啟。

最佳實踐

1. 分離健康檢查端點

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# 建議的端點設計
livenessProbe:
  httpGet:
    path: /livez    # 僅檢查應用程式本身是否存活
    port: 8080
readinessProbe:
  httpGet:
    path: /readyz   # 檢查應用程式是否可以處理請求
    port: 8080

2. 使用 Startup Probe 處理長啟動時間

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# 對於需要較長啟動時間的應用程式
startupProbe:
  httpGet:
    path: /startup
    port: 8080
  failureThreshold: 30
  periodSeconds: 10
# 最長允許 30 * 10 = 300 秒的啟動時間

livenessProbe:
  httpGet:
    path: /healthz
    port: 8080
  periodSeconds: 10
  failureThreshold: 3

3. Readiness Probe 應更敏感

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readinessProbe:
  httpGet:
    path: /ready
    port: 8080
  periodSeconds: 2      # 更頻繁的檢查
  failureThreshold: 1   # 一次失敗就移除端點
  successThreshold: 2   # 需要連續成功才加回端點

4. 適當的資源限制搭配

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containers:
- name: webapp
  resources:
    requests:
      cpu: 100m
      memory: 128Mi
    limits:
      cpu: 500m
      memory: 512Mi
  livenessProbe:
    httpGet:
      path: /healthz
      port: 8080
    timeoutSeconds: 5  # 確保有足夠時間回應

除錯技巧

檢視 Pod 事件

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# 查看 Pod 詳細資訊，包含探針失敗事件
kubectl describe pod <pod-name>

# 輸出範例：
# Events:
#   Type     Reason     Age   From     Message
#   ----     ------     ----  ----     -------
#   Warning  Unhealthy  10s   kubelet  Liveness probe failed: HTTP probe failed...

檢視 Pod 日誌

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# 查看容器日誌
kubectl logs <pod-name>

# 查看前一個容器的日誌（如果已重啟）
kubectl logs <pod-name> --previous

手動測試探針端點

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# 進入容器測試健康檢查端點
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/sh

# 在容器內測試
curl -v http://localhost:8080/healthz

檢視探針配置

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# 以 YAML 格式輸出 Pod 配置
kubectl get pod <pod-name> -o yaml | grep -A 20 livenessProbe

監控探針狀態

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# 持續監控 Pod 狀態
kubectl get pods -w

# 檢視 Pod 的條件狀態
kubectl get pod <pod-name> -o jsonpath='{.status.conditions}'

總結

Kubernetes 探針是維護應用程式可靠性的重要機制：

  1. Liveness Probe：確保容器處於健康狀態，自動重啟無法自我恢復的容器
  2. Readiness Probe：控制流量路由，確保只有準備好的 Pod 接收請求
  3. Startup Probe：保護啟動緩慢的應用程式，避免被過早終止

正確配置探針可以顯著提升服務的可靠性和可用性。建議根據應用程式的特性選擇合適的探針類型和參數，並遵循最佳實踐來避免常見的配置錯誤。

參考資料

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