聊聊 K8s 中的 Sidecar 设计模式 · 第 1 篇

介绍

SideCar 北京土话叫三蹦子，通俗叫就是带棚子的三轮摩托车。今天我们要聊的 K8S 中三蹦子也称为边三轮车：边三轮车是在摩托车边上挂靠一个拖斗，云原生中的叫法是主容器和边车容器。本系列文章将展示 SideCar 模式的用法，以及如何通过 KCL 等面向配置的编程语言来简化 YAML 的编写。

一个最简单的云原生 Web 服务

首先以最简方式在 Kubernetes 环境启动一个 Web 服务。在下面 pod.yaml 文件中定义一个 Pod，其中只有一个 Nginx 服务，在 80 端口启动一个 web 服务。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-app
spec:
  containers:
  - image: nginx
    name: main-container
    ports:
      - containerPort: 80

Pod 是云原生中的一个基础原语。Pod 将多个容器包装为一个逻辑单元，Kubernetes 运行时确保 Pod 中的容器运行在一个机器上。因此 Pod 中的所有容器都共享生命周期、共享磁盘卷、共享网络环境等。SideCar 模式就是在 Pod 中增加其他容器来扩展和增强主容器的能力。

然后通过 kubectl create 命令行工具创建 Pod，然后通过 kubectl get po 查看 Pod 执行状态：

$ kubectl create -f pod.yaml
$ kubectl get po
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-app 1/1 Running 0 45m

可以看到一个名为 web-app 的 Pod 已经正常启动并运行，其中包含 Nginx 服务。为了便于外部访问配置端口转发，将宿主的 3999 端口对应到主容器的 80 端口：

$ kubectl port-forward web-app 3999:80
Forwarding from 127.0.0.1:3999 ->80
Forwarding from [::1]:3999 -> 80

端口转发是一个阻塞程序，保持命令行窗口打开。然后在浏览器打开测试页面：

通过 SideCar 定扩展页面内容

现在我们尝试在不修改原始 Nginx 容器镜像的前提下，通过 SideCar 模式为 Nginx 服务增加定制 Web 页面的能力。在开始前先删除之前启动的 Pod：

$ kubectl delete po web-app
pod "web-app" deleted

然后在 Pod 中增加第二个 Busybox SideCar 容器，完整的 pod.yaml 文件如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-app
spec:
  containers:
  - image: nginx
    name: main-container
    ports:
      - containerPort: 80

    # --- 以下是新添加的内容 ---
    
    # 和 SideCar 通过 磁盘卷共享要发布的文件目录
    volumeMounts:
    - name: var-logs
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  
  # SideCar 容器
  - image: busybox
    command: ["/bin/sh"]
    args: ["-c", "while true; do echo $(date -u) 'Hi I am from Sidecar container' > /var/log/index.html; sleep 5;done"]
    name: sidecar-container
    volumeMounts: var-logs
      mountPath: /var/log

  # Pod 中全部容器共享磁盘卷
  volumes:
  - name: var-logs
    emptyDir: {}

Busybox SideCar 容器执行的命令对应以下 Shell 脚本：

while true; do
    echo $(date -u) 'Hi I am from Sidecar container' > /var/log/index.html;
    sleep 5;
done

SideCar 容器只有一个功能：每隔 5 秒钟覆盖一次 /var/log/index.html 文件，这个文件刚好对应 Nginx 的服务的首页页面文件。

然后重新启动 Pod，并重新映射本地宿主机端口到容器端口：

$ kubectl create -f pod.yaml 
pod/web-app created
$ kubectl port-forward web-app 3999:80
Forwarding from 127.0.0.1:3999 -> 80
Forwarding from [::1]:3999 -> 80

重新打开浏览器后将看到以下页面：

SideCar 模式的工作原理

简单来说，Busybox 是 SideCar 容器角色，负责生产首页数据；而 Nginx 是主容器，负责消费 Busybox 生产的主页数据；两个容器通过 var-logs 磁盘卷共享空间。如果以 Go 语言的术语类比，Nginx 是主 Goroutine，Busybox 是后台干脏活的 Goroutine，而共享的磁盘卷类似 Channel 的作用。

在这个例子中 Nginx 依然是主容器，SideCar 容器是 BusyBox。我们还可以挂更多 SideCar 容器，比如网络、监控、日志等等。

这样就通过 SideCar 模式，在不修改 Nginx 主容器的前提下，扩展出了网络、监控、日志等能力。

SideCar 模式的优点

现在容器已经成为一种流行的打包技术，各种不同角色的同学可以通过容器以统一的方式构建、发布和运行程序，甚至管理各种资源。因此容器更像一个功能明确的产品，它有自己的运行时、发布周期、文档和 API 等。好的容器/产品只负责解决一个问题，保持了 KISS 原则可以让容器本身具有极高的重用性和可被替代性。正是因为可重用才使得现代化的构建程序的流程更加敏捷和高效。但是可复用的容器一般都功能单一，我们常常需要通过各种手段扩展容器的功能，以及需要更多的容器之间的协同。

三蹦子 SideCar 可以在不改造主摩托车的前提下增加 N 个拖车功能，相应地云原生 SideCar 模式可以在无需修改主容器的前提下扩展并增强已有主容器功能。如果将云原生的玩法和面向对象编程联系起来，容器镜像就是 Java 中的 class，而执行中的容器就是 class 的实例。而面向对象的 class 继承就是基于已有的容器镜像做扩展，SideCar 则是通过类似组合的模式扩展 class 的能力。

面向对象编程中有一个“组合优于继承，多用组合少用继承”的规则，因此 SideCar 也是推荐使用的模式。正是因为三蹦子模式的优点，最近在云原生场景也被大量使用：比如在边车上架一些类似机关枪的网络服务、监控、跟踪等功能。

总结

这一篇文章我们简要介绍并在 Kubernetes 环境展示了 SideCar 模式，同时结合传统的面向对象编程思想对比了 SideCar 和组合编程模式的关系。SideCar 模式的优势不仅仅体现在无害增强主容器，更灵活的是可以在 apply 时动态调整 SideCar 能力。

在后面的文章中，我们将尝试结合 KCL 等现代化的云原生配置语言来简化 SideCar 配置的编写。通过尝试探索通过 KCL 动态注入和修改 SideCar 来扩展基于已有配置的能力。