Kubernetes StatefulSet 有狀態應用部署

StatefulSet 概述

StatefulSet 是 Kubernetes 中用於管理有狀態應用程式的工作負載 API 物件。與 Deployment 不同，StatefulSet 為每個 Pod 維護一個固定的身份識別，這些 Pod 是根據相同的規格建立的，但不可互換：每個 Pod 都有一個持久的識別碼，在任何重新調度時都會保留。

StatefulSet 適用於需要以下一項或多項功能的應用程式：

穩定且唯一的網路識別碼
穩定的持久化儲存
有序的部署和擴展
有序的自動滾動更新

常見的 StatefulSet 使用場景包括：

資料庫叢集（MySQL、PostgreSQL、MongoDB）
訊息佇列（Kafka、RabbitMQ）
分散式儲存系統（Elasticsearch、Cassandra）
需要穩定網路識別的應用程式

Deployment vs StatefulSet

特性	Deployment	StatefulSet
Pod 識別	隨機雜湊值	有序數字索引（0, 1, 2…）
Pod 名稱	隨機生成	固定格式：`<statefulset-name>-<ordinal>`
網路識別	不穩定	穩定的 DNS 名稱
儲存	共享或無狀態	每個 Pod 獨立的持久化儲存
部署順序	並行部署	有序部署（0 → 1 → 2）
刪除順序	並行刪除	逆序刪除（2 → 1 → 0）
適用場景	無狀態應用	有狀態應用

StatefulSet 特性

穩定的網路識別

StatefulSet 中的每個 Pod 都會獲得一個基於 StatefulSet 名稱和 Pod 序號的穩定主機名稱。格式為：

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<statefulset-name>-<ordinal>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local

例如，一個名為 mysql 的 StatefulSet 配合名為 mysql-headless 的 Headless Service，其 Pod DNS 名稱為：

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mysql-0.mysql-headless.default.svc.cluster.local
mysql-1.mysql-headless.default.svc.cluster.local
mysql-2.mysql-headless.default.svc.cluster.local

穩定的儲存

每個 StatefulSet Pod 都可以透過 volumeClaimTemplates 獲得自己專屬的 PersistentVolumeClaim（PVC）。當 Pod 被重新調度到其他節點時，它會重新掛載相同的 PVC，確保資料持久性。

有序部署與終止

部署順序：Pod 按照 0, 1, 2, …, N-1 的順序建立
終止順序：Pod 按照 N-1, …, 2, 1, 0 的逆序終止
在部署過程中，每個 Pod 必須處於 Running 和 Ready 狀態後，才會建立下一個 Pod

Headless Service 設定

StatefulSet 需要一個 Headless Service 來控制 Pod 的網路識別。Headless Service 的特點是 clusterIP: None。

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-headless
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
    - port: 3306
      name: mysql
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql

Headless Service 不會分配 Cluster IP，而是直接將 DNS 查詢解析到各個 Pod 的 IP 位址。這使得應用程式可以直接連接到特定的 Pod。

您也可以建立一個普通的 Service 來對外提供負載平衡：

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
    - port: 3306
      name: mysql
  selector:
    app: mysql

StatefulSet YAML 範例

以下是一個完整的 MySQL StatefulSet 範例：

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apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  serviceName: mysql-headless
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 30
      containers:
        - name: mysql
          image: mysql:8.0
          ports:
            - containerPort: 3306
              name: mysql
          env:
            - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
              valueFrom:
                secretKeyRef:
                  name: mysql-secret
                  key: root-password
            - name: MYSQL_DATABASE
              value: "myapp"
          resources:
            requests:
              cpu: "500m"
              memory: "1Gi"
            limits:
              cpu: "1000m"
              memory: "2Gi"
          volumeMounts:
            - name: mysql-data
              mountPath: /var/lib/mysql
          livenessProbe:
            exec:
              command:
                - mysqladmin
                - ping
                - -h
                - localhost
            initialDelaySeconds: 30
            periodSeconds: 10
            timeoutSeconds: 5
          readinessProbe:
            exec:
              command:
                - mysql
                - -h
                - localhost
                - -e
                - "SELECT 1"
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 5
            timeoutSeconds: 2
  volumeClaimTemplates:
    - metadata:
        name: mysql-data
      spec:
        accessModes: ["ReadWriteOnce"]
        storageClassName: "standard"
        resources:
          requests:
            storage: 10Gi

持久化儲存（volumeClaimTemplates）

volumeClaimTemplates 是 StatefulSet 特有的功能，它為每個 Pod 自動建立獨立的 PVC。

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volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
      labels:
        app: mysql
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      storageClassName: "fast-ssd"
      resources:
        requests:
          storage: 20Gi

PVC 命名規則

自動建立的 PVC 名稱格式為：

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<volumeClaimTemplate-name>-<statefulset-name>-<ordinal>

例如：data-mysql-0、data-mysql-1、data-mysql-2

重要注意事項

PVC 不會自動刪除：當 StatefulSet 被刪除時，相關的 PVC 不會自動刪除，以保護資料安全
手動清理：需要手動刪除 PVC 以釋放儲存空間
重新建立：如果重新建立同名的 StatefulSet，它會自動重新掛載現有的 PVC

Pod 管理策略

StatefulSet 支援兩種 Pod 管理策略，透過 spec.podManagementPolicy 設定：

OrderedReady（預設）

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spec:
  podManagementPolicy: OrderedReady

Pod 按順序建立（0, 1, 2…）
每個 Pod 必須 Running 和 Ready 後才建立下一個
按逆序終止

Parallel

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spec:
  podManagementPolicy: Parallel

所有 Pod 同時建立或刪除
不等待其他 Pod 達到 Running/Ready 狀態
適用於不需要順序保證的場景

更新策略

StatefulSet 支援兩種更新策略，透過 spec.updateStrategy 設定：

RollingUpdate（預設）

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spec:
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      partition: 0
      maxUnavailable: 1

partition：只更新序號大於或等於此值的 Pod，可用於金絲雀發布
maxUnavailable：更新期間最多可以有多少個 Pod 不可用（Kubernetes 1.24+）

分段更新範例

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spec:
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      partition: 2

當 partition: 2 時，只有 mysql-2 及更高序號的 Pod 會被更新，mysql-0 和 mysql-1 保持原有版本。

OnDelete

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spec:
  updateStrategy:
    type: OnDelete

不會自動更新 Pod
需要手動刪除 Pod 才會以新規格重建
提供完全的手動控制

擴展與縮減

擴展

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# 使用 kubectl scale
kubectl scale statefulset mysql --replicas=5

# 或使用 kubectl patch
kubectl patch statefulset mysql -p '{"spec":{"replicas":5}}'

擴展時，新的 Pod 會按照序號順序建立（例如：3, 4）。

縮減

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kubectl scale statefulset mysql --replicas=2

縮減時，Pod 會按照逆序終止（例如：4, 3, 2 依序終止）。

重要考量

資料備份：縮減前確保已備份將被移除 Pod 的資料
PVC 保留：縮減不會刪除 PVC，需要手動清理
叢集狀態：對於資料庫叢集，確保縮減不會影響叢集健康狀態

完整部署範例

以下是一個包含所有相關資源的完整部署範例：

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# Secret
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: mysql-secret
type: Opaque
data:
  root-password: bXlzcWwtcm9vdC1wYXNzd29yZA==

---
# ConfigMap
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql-config
data:
  my.cnf: |
    [mysqld]
    max_connections=200
    innodb_buffer_pool_size=256M    

---
# Headless Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-headless
spec:
  ports:
    - port: 3306
      name: mysql
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql

---
# StatefulSet
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql-headless
  replicas: 3
  podManagementPolicy: OrderedReady
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      partition: 0
  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
              valueFrom:
                secretKeyRef:
                  name: mysql-secret
                  key: root-password
          volumeMounts:
            - name: data
              mountPath: /var/lib/mysql
            - name: config
              mountPath: /etc/mysql/conf.d
      volumes:
        - name: config
          configMap:
            name: mysql-config
  volumeClaimTemplates:
    - metadata:
        name: data
      spec:
        accessModes: ["ReadWriteOnce"]
        storageClassName: "standard"
        resources:
          requests:
            storage: 10Gi

常用指令

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# 查看 StatefulSet 狀態
kubectl get statefulset mysql

# 查看 Pod 狀態
kubectl get pods -l app=mysql

# 查看 PVC
kubectl get pvc -l app=mysql

# 查看特定 Pod 的日誌
kubectl logs mysql-0

# 進入 Pod 執行指令
kubectl exec -it mysql-0 -- mysql -u root -p

# 查看 StatefulSet 詳細資訊
kubectl describe statefulset mysql

# 刪除 StatefulSet（保留 PVC）
kubectl delete statefulset mysql

# 刪除 StatefulSet 和 PVC
kubectl delete statefulset mysql
kubectl delete pvc -l app=mysql