Kubernetes StatefulSet

StatefulSet 是 Kubernetes 中用于 有状态应用（Stateful Application） 的 Workload 类型，解决以下问题：

Pod 的身份保持（Identity） + 稳定一致的存储（Stable Storage） + 顺序化部署、更新、删除（Ordered Operation）

典型业务场景包括：

数据库集群（MySQL、PostgreSQL、MongoDB）
分布式协调服务（ZooKeeper、Etcd）
存储系统（Ceph、HDFS）
需要固定主机名访问的服务（Kafka、RabbitMQ）

🧩 1. 为什么需要 StatefulSet？（核心价值）

Deployment 设计用于无状态应用：

❌ Pod 名称随机
❌ 存储不固定
❌ Pod 会被替换，无法稳定绑定数据
❌ 无法保证先启动/先关闭顺序

StatefulSet 则提供：

| 特性 | Deployment | StatefulSet | | Pod 名称稳定 | ❌ | ✅ | | Pod DNS 稳定 | ❌ | ✅ | | Pod 顺序部署 | ❌ | ✅ | | Pod 顺序更新 | ❌ | ✅ | | 固定持久卷 | ❌ | ✅（PVC 自动创建） | | 适合数据库 | ❌ | ✅ |

总结一句话：

StatefulSet 让每个 Pod 都有身份（Identity）+ 数据持久化（Persistence）。

🧩 2. StatefulSet 的核心特性

2.1 Pod 稳定身份（Stable Identity）

Pod 名字固定：

<statefulset-name>-0
<statefulset-name>-1
<statefulset-name>-2

例如：

mysql-0
mysql-1
mysql-2

重启也不会改变。

2.2 稳定网络标识（Stable Network Identity）

借助 Headless Service（必须）：

serviceName: mysql

Pod 会有稳定的 DNS：

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

每个实例都有可直连的域名（数据库非常依赖）。

2.3 稳定持久化卷（Stable Storage）

StatefulSet + volumeClaimTemplates -> 自动生成 PVC：

data-mysql-0
data-mysql-1
data-mysql-2

删除 Pod 不会删除 PVC：

数据不丢
Pod 可以恢复
节点不可用时依旧能重建 Pod

2.4 严格顺序化的行为（Ordered Operations）

StatefulSet 提供：

📌 顺序部署（Create）

mysql-0 -> mysql-1 -> mysql-2

📌 顺序更新（Update）

滚更时逐个更新 Pod
新 Pod 必须 Ready 才能继续

📌 顺序删除（Delete）

mysql-2 -> mysql-1 -> mysql-0

数据库主从切换非常依赖此特性。

🧩 3. StatefulSet YAML 解析（最干净版本）

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql
  replicas: 3

  selector:
    matchLabels:
      app: mysql

  updateStrategy:
    type: RollingUpdate

  podManagementPolicy: OrderedReady  # 默认行为

  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:8
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql

  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 20Gi

🧩 4. StatefulSet 的关键字段解释

⭐ serviceName（必须）

用于为每个 Pod 创建稳定 DNS：

serviceName: mysql

要求绑定一个：

Headless Service：

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

否则 Pod DNS 无法生成。

⭐ podManagementPolicy

默认：OrderedReady

按顺序启动、更新、删除
适合数据库

选项：Parallel

并行启动所有 Pod
适合 Kafka、RabbitMQ 这种节点间独立性较强的服务

⭐ updateStrategy

RollingUpdate（默认）

逐个更新 Pod（安全）

OnDelete

手动删除旧 Pod 才更新用于非常敏感的数据库升级，例如 etcd。

⭐ volumeClaimTemplates

每个 Pod 自动生成独立 PVC：

data-mysql-0
data-mysql-1
data-mysql-2

卷不会随 StatefulSet 删除。

🧩 5. StatefulSet + Persistent Volume 挂载流程

流程图：

创建 StatefulSet
    ↓
创建 Pod-0
    ↓
自动创建 PVC-0
    ↓
调度到 Node
    ↓
挂载 PV（动态/静态）
    ↓
Pod 启动

特点：

Pod 与 PVC 永久绑定
Pod 重建不影响数据
换节点仍会挂回同一 PVC（使用网络存储时）

🧩 6. StatefulSet 常见使用场景

MySQL 主从、MySQL InnoDB Cluster

数据必须固定，Pod 顺序要求强。

PostgreSQL Patroni 集群

Leader/Follower 依赖固定主机名。

Redis Sentinel

每个节点身份不同。

ZooKeeper

只有 0 号 Pod 可以初始化集群。

Kafka、RabbitMQ

每个 broker 有独立日志目录。

Ceph OSD

每个节点绑定特定磁盘或数据目录。

🧩 7. StatefulSet 常见问题与排查

❗ 1. 为什么 StatefulSet Pod 无法启动？

检查是否缺少 Headless Service：

clusterIP: None

检查存储：

kubectl get pvc
kubectl describe pvc <name>

❗ 2. 为什么 StatefulSet 不能自动扩缩容？

因为：

扩容：新 Pod 如 3->4 会自动创建 PVC
缩容：Pod 删除，但 PVC 不会删除
再次扩容 -> 绑定回原 PVC

❗ 3. PVC 如何清理？

你必须手动删除：

kubectl delete pvc data-mysql-2

防止误删数据。

🧩 8. StatefulSet vs Deployment vs DaemonSet（总结对比）

| 特性 | Deployment | StatefulSet | DaemonSet | | 适用场景 | 无状态应用 | 有状态服务 | 节点 Agent | | Pod 身份 | 无 | 有（固定） | 与节点绑定 | | DNS 稳定 | ❌ | ✅ | ✅ | | 存储 | 可选，非稳定 | 绑定 PVC | 通常使用 hostPath | | 顺序启动 | ❌ | ✅ | ❌ | | 适合数据库 | ❌ | ✅ | ❌ |

🧩 9. StatefulSet 最佳实践（生产环境）

必须配合 Headless Service

clusterIP: None

必须使用 volumeClaimTemplates（不要手写 PVC）

因为：

自动创建
自动绑定命名规范
不用担心漏写

对数据库请使用 RollingUpdate + PodDisruptionBudget + readinessProbe

强烈建议不要给 StatefulSet Pod 设置 hostNetwork: true

会导致：

❌ 不同 Pod DNS 冲突
❌ 端口冲突
❌ ClusterIP 无法访问

StatefulSet 不适合这些场景

高并发横向扩展型 Web 服务 -> Deployment
节点级插件 -> DaemonSet
批处理 -> Job
定时任务 -> CronJob

🧩 10. 一张图理解 StatefulSet（超清晰）

StatefulSet
   ↓
Pod 0 -- PVC-0 -- DNS: mysql-0.mysql
Pod 1 -- PVC-1 -- DNS: mysql-1.mysql
Pod 2 -- PVC-2 -- DNS: mysql-2.mysql

顺序：

创建: 0 -> 1 -> 2
更新: 0 -> 1 -> 2
删除: 2 -> 1 -> 0

每个 Pod 就像有自己 身份证号码 和 独立硬盘。

🎯 最终总结（掌握 StatefulSet 的关键一句话）

StatefulSet = 有身份的 Pod + 稳定 DNS + 稳定存储 + 顺序化运维。

用于数据库、队列、协调系统等所有有状态应用。