k8s(kubernetes)的PV / PVC / StorageClass(理论+实践)

NFS总是不支持PVC扩容

先来个一句话总结：PV、PVC是K8S用来做存储管理的资源对象，它们让存储资源的使用变得可控，从而保障系统的稳定性、可靠性。StorageClass则是为了减少人工的工作量而去自动化创建PV的组件。所有Pod使用存储只有一个原则：先规划 → 后申请 → 再使用。

一、理论

1、PV概念

PV是对K8S存储资源的抽象，PV一般由运维人员创建和配置，供容器申请使用。

没有PV之前，服务器的磁盘没有分区的概念，有了PV之后，相当于通过PV对服务器的磁盘进行分区。

2、PVC概念

PVC 是Pod对存储资源的一个申请，主要包括存储空间申请、访问模式等。创建PV后，Pod就可以通过PVC向PV申请磁盘空间了。类似于某个应用程序向操作系统的D盘申请1G的使用空间。

PVC 创建成功之后，Pod 就可以以存储卷（Volume）的方式使用 PVC 的存储资源了。Pod 在使用 PVC 时必须与PVC在同一个Namespace下。

3、PV / PVC的关系

PV相当于对磁盘的分区，PVC相当于APP（应用程序）向某个分区申请多少空间。比如说安装WPS程序时，一般会告知我们安装它需要多少存储空间，让你选择在某个磁盘下安装。如果将来某个分区磁盘满了，也不会影响别的分区磁盘的使用。

一旦 PV 与PVC绑定，Pod就可以使用这个 PVC 了。如果在系统中没有满足 PVC 要求的 PV，PVC则一直处于 Pending 状态，直到系统里产生了一个合适的 PV。

4、StorageClass概念

K8S有两种存储资源的供应模式：静态模式和动态模式，资源供应的最终目的就是将适合的PV与PVC绑定：

静态模式：管理员预先创建许多各种各样的PV，等待PVC申请使用。
动态模式：管理员无须预先创建PV，而是通过StorageClass自动完成PV的创建以及与PVC的绑定。

StorageClass就是动态模式，根据PVC的需求动态创建合适的PV资源，从而实现存储卷的按需创建。

一般某个商业性的应用程序，会用到大量的Pod，如果每个Pod都需要使用存储资源，那么就需要人工时不时的去创建PV，这也是个麻烦事儿。解决方法就是使用动态模式：当Pod通过PVC申请存储资源时，直接通过StorageClass去动态的创建对应大小的PV，然后与PVC绑定，所以基本上PV → PVC是一对一的关系。

5、Provisioner概念

在创建 PVC 时需要指定 StorageClass，PVC 选择到对应的StorageClass后，与其关联的 Provisioner 组件来动态创建 PV 资源。

那Provisioner是个啥呢？其实就一个存储驱动，类似操作系统里的磁盘驱动。

StorageClass 资源对象的定义主要包括：名称、Provisioner、存储的相关参数配置、回收策略。StorageClass一旦被创建，则无法修改，只能删除重新创建。

PV和PVC的生命周期，包括4个阶段：资源供应（Provisioning）、资源绑定（Binding）、资源使用（Using）、资源回收（Reclaiming）。首先旧的有资源供应，说白了就是得有存储驱动，然后才能创建、绑定和使用、回收。

6、使用PV / PVC前后对比

6.1、通过描述对比

在没有使用PV、PVC之前，各个Pod都可以任意的向存储资源里（比如NFS）写数据，随便一个Pod都可以往磁盘上插一杠子，长期下去磁盘的管理会越来越混乱，然后导致数据使用超限，磁盘爆掉，最后导致磁盘上的所有应用全部挂掉。

为了解决这个问题，引入了PV、PVC的概念，达到限制Pod写入存储数据大小的目的，从而更好地保障了系统的可用性、稳定性。

有了PVC、PV之后，所有Pod使用存储资源，保持一个原则：先规划 → 后申请 → 再使用。

那你肯定有一个疑问，“StorageClass是自动化创建PV，跟原本的无序不可控是一样的效果啊，都可以随便占用存储资源啊”。

其实不然，使用StorageClass只是自动化了创建PV的流程，但依旧执行的是一个存储可控的流程。每个Pod使用多少存储空间是固定的，Pod没有办法超额使用存储空间，更不会影响到别的应用，要出故障也只是某个Pod自己出故障。

6.2、通过图片对比

没有使用PV、PVC之前的情况，如下面2张图：

有了PV、PVC之后的情况，如下图

二、实践

在实践PV、PVC、StorageClass之前，需要读者朋友自行安装NFS服务器。文中演示的内容是通过yaml编排自动到NFS服务器起上创建PV。

1、Pod使用PV、PVC挂载存储卷

1.1、编排PV、PVC、Pod挂载PVC

文中演示的是：Pod的某个目录挂载到NFS的某个目录下。使用了nginx镜像，将html文件写在PV所在的NFS服务器上，最终可以看到利用PV / PVC 成功挂载上去了。

yaml文件如下：

# PV编排
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs-pv1
  namespace: dev1
  labels:
    pv: nfs-pv1
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  # Recycle 删除PVC会同步删除PV | Retain 删除PVC不会同步删除PV
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/nfstest/share/pv1
    server: 10.20.1.20
    readOnly: false
---
# PVC 编排，通过selector查找PV，K8S里的资源查找都是通过selector查找label标签
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc1
  namespace: dev1
  labels:
    pv: nfs-pvc1
spec:
  resources:
    requests:
      storage: 100Mi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  selector:
    matchLabels:
      pv: nfs-pv1
---
# Pod挂载PVC，这里为了测试，直接通过node节点的hostPort暴露服务
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: webapp
  namespace: dev1
  labels:
    app: webapp
spec:
  containers:
    - name: webapp
      image: nginx
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - containerPort: 80
          hostPort: 8081
      volumeMounts:
        - name: workdir
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: workdir
      persistentVolumeClaim:
        claimName: nfs-pvc1

执行kubectl命令，查看实践效果如下：

2、Pod使用StorageClass自动挂载存储卷

2.1、安装 Provisioner

文中选择通过helm的方式安装nfs-subdir-external-provisioner，这种方式相对简单。安装文档、安装过程见下文：

安装文档：

https://kubernetes.io/zh-cn/docs/concepts/storage/storage-classes/#nfs

https://github.com/kubernetes-sigs/nfs-subdir-external-provisioner

安装过程：

通过以下3个步骤完成nfs-subdir-external-provisioner的安装。

安装helm，本文以mac为例

brew install heml

2.安装nfs-subdir-external-provisioner，执行以下2个命令：

$ helm repo add nfs-subdir-external-provisioner https://kubernetes-sigs.github.io/nfs-subdir-external-provisioner/
$ helm install nfs-subdir-external-provisioner nfs-subdir-external-provisioner/nfs-subdir-external-provisioner -n kube-system \
    --set image.repository=dyrnq/nfs-subdir-external-provisioner \
    --set nfs.server=10.20.1.20 \
    --set nfs.path=/data/nfstest/nfs-storage

这里注意几个参数：

image.repository：修改了镜像的地址，默认用的国外镜像很有可能拉不下来

nfs.server：你的NFS服务器地址

nfs.path：存储目录

查看helm安装的结果：

执行命令：helm list -A，查看helm安装结果：

查看是否创建了对应的pod，如果没有修改镜像地址会一直拉取失败，如下图:

修改镜像地址后成功启动Pod，如下图：

2.2、使用StorageClass

文中演示的是：Pod利用StorageClass自动创建PV，同时在对应的存储目录上创建了文件，写入了数据。

yaml文件如下：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-storage-1
provisioner: cluster.local/nfs-subdir-external-provisioner
parameters:
  # 设置为"false"时删除PVC不会保留数据，"true"则保留数据
  archiveOnDelete: "false"
mountOptions:
  # 指定NFS版本,这个需要根据NFS Server版本号设置
  - nfsvers=4
---
# 创建PVC
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-storage-pvc-1
  namespace: dev1
spec:
  storageClassName: nfs-storage-1    #需要与上面创建的storageclass的名称一致
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Mi
---
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-storage-pod-1
  namespace: dev1
spec:
  containers:
    - name: nfs-storage-pod-1
      image: busybox
      command:
        - "/bin/sh"
      args:
        - "-c"
        - "touch /mnt/teststorage && echo 111 > /mnt/teststorage && exit 0 || exit 1"  ## 创建一个名称为"SUCCESS"的文件
      volumeMounts:
        - name: nfs-pvc
          mountPath: "/mnt"
  restartPolicy: "Never"
  volumes:
    - name: nfs-pvc
      persistentVolumeClaim:
        claimName: nfs-storage-pvc-1

执行kubectl命令后，可以看到如下效果：

可以看到如我们预料的那样，通过storageClass自动创建了PV，同时在NFS对应的存储目录上创建了文件，写入了数据。

至此，我们实践过程全部结束。

三、总结

本文主要讲解了PV、PVC、StorageClass的理论和实战。

一句话总结：PV、PVC是K8S用来做存储管理的资源对象，它们让存储资源的使用变得可控，从而保障系统的稳定性、可靠性。StorageClass则是为了减少人工的工作量而去自动化创建PV的组件。所有Pod使用存储只有一个原则：先规划 → 后申请 → 再使用。

四、Volume之Persistent Volume持久卷

基本概念

「1. PV 持久卷」：PersistentVolume，其是K8s中对实际物理存储系统的抽象。作为K8s中集群层面的资源，与节点资源类似。PV不属于任何命名空间「2. PVC 持久卷申领」：PersistentVolumeClaim，其是K8s中用户对存储请求的抽象。类似地，Pod会消耗节点资源，而PVC则会消耗PV资源

具体地，通过PV实现了对底层真实存储系统的抽象，使得开发者只需通过创建PVC资源即可。而开发者可以直接将PVC的名称作为卷在工作负载资源中进行引用。当集群中存在满足PVC要求的PV时，则会将该PV与PVC进行双向绑定

静态制备

此场景下K8s集群的管理员需要先创建相应的PV资源，然后才能供开发者使用该资源。下面即是通过hostPath卷创建PV资源的示例。此时不难理解，PV实际上是对物理存储资源的抽象

# 1. 创建持久卷PV

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  # PV卷名称
  name: mongodb-pv
spec:
  # 容量
  capacity: 
    # 存储大小: 100MB
    storage: 100Mi
  # 该卷支持的访问模式
  accessModes:
    - ReadWriteOnce # RWO, 该卷可以被一个节点以读写方式挂载
    - ReadOnlyMany  # ROX, 该卷可以被多个节点以只读方式挂载
  # 回收策略: 保留
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  # 该持久卷的实际存储类型: 此处使用HostPath类型卷
  hostPath:
    path: /tmp/MongodbData

这里对卷的访问模式进行说明，其支持下述选项。值得一提的是，卷虽然可以能够支持多种访问模式，但其在同一时刻只能以一种访问模式进行挂载。例如，某卷可以被节点A以RWO模式挂载，也可以被B节点以ROX模式挂载。但不能同时使用两种模式挂载

**1. ReadWriteOnce (RWO)**：卷可以被一个节点以读写方式挂载。ReadWriteOnce访问模式允许运行在同一节点上的多个Pod访问卷 **2. ReadOnlyMany (ROX)**：卷可以被多个节点以只读方式挂载 **3. ReadWriteMany (RWX)**：卷可以被多个节点以读写方式挂载 **4. ReadWriteOncePod (RWOP)**：在Kubernetes 1.22以上版本时，卷可以被单个Pod以读写方式挂载

这里对卷的回收策略进行补充说明

「1. Retain 保留」

当PVC资源被删除时，其所绑定的PV不会被删除，但该PV的状态会变为「Released已释放」。由于此时PV所关联的物理存储系统上仍然存在历史数据，故该PV此时不能直接被申领。需要集群管理员手动进行处置。一方面对于PV资源而言，其需要删除并重新创建；另一方面，对于PV所关联的物理存储系统上的数据，需要根据实际情况判断是直接删除还是保留以便能够复用数据

「2. Delete 删除」

其不需要管理员人工进行介入操作，系统不仅会将PV资源删除，同时还会将该PV资源所关联的物理存储系统上的数据一并删除掉

K8s集群的管理员创建PV资源，效果如下所示

当K8s集群中的PV资源准备好后，开发者就可以通过创建PVC资源来获取PV了。这里我们将storageClassName字段设置为空字符串,意为不使用存储类进行动态制备，而是使用集群管理员提前创建好的PV。即所谓的静态制备；然后在部署应用的配置文件中，直接引用PVC的名称进行卷的定义即可。需要注意 PVC所属的命名空间与使用该PVC的Pod 需在同一个命名空间下

# 1. 创建持久卷申领PVC

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mongodb-pvc
spec:
  resources:
    # 申请30MB的存储空间
    requests:
      storage: 30Mi
  # 访问模式
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  # 禁止使用动态制备的卷, 即使用静态制备
  storageClassName: ""

---

# 2. 创建数据库应用

apiVersion: apps/v1
# 资源类型
kind: ReplicaSet
metadata:
  # RS名称
  name: my-mongodb-app
spec:
  # 副本数量
  replicas: 1
  # 标签选择器
  selector:
    matchLabels:
      app: db
  # Pod 模板
  template:
    metadata:
      # 标签信息
      labels:
        app: db
    spec:
      # 容器信息
      containers:
      - name: my-mongodb-app
        image: mongo
        volumeMounts:
        # 将名为mongodb-data的卷挂载到容器内的指定路径
        - name: mongodb-data
          # MongoDB默认的数据存储路径
          mountPath: /data/db
      # 卷信息
      volumes:       
      - name: mongodb-data
        # 引用PVC的名称即可
        persistentVolumeClaim:
          claimName: mongodb-pvc

当PVC创建完成后，一旦集群中存在满足PVC指定的容量要求、访问模式的PV资源后。该PVC即会与相应的PV进行双向绑定。如下所示，同时会发现应用所在Pod也部署成功

动态制备

对于静态制备而言，无论采用何种回收策略。事实上都需要系统管理员再次创建PV资源。为此动态制备应运而生，K8s集群在收到用户创建的PVC后，会通过PVC中所指定的StorageClass存储类自动地制备出相应的PV资源以供使用。在动态制备场景下，系统管理员只需提前创建相应的若干个StorageClass存储类资源即可。具体地，在StorageClass存储类中会关联真实的物理存储系统和相应的provisioner制备器。其中动态制备的PV会继承相应的StorageClass中定义的回收策略。由于这里我们是通过Kind搭建K8s集群环境的，其已经内置了一个StorageClass存储类。如下所示

此时，开发者只需在创建PVC的过程通过storageClassName字段指定相应的存储类名称即可。类似地在部署应用时直接引用PVC名称定义卷

# 1. 创建持久卷申领PVC

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mongodb-pvc-2
spec:
  resources:
    # 申请20MB的存储空间
    requests:
      storage: 30Mi
  # 访问模式
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  # 使用名为standard的存储类进行动态制备
  storageClassName: "standard"

---

# 2. 创建数据库应用

apiVersion: apps/v1
# 资源类型
kind: ReplicaSet
metadata:
  # RS名称
  name: my-mongodb-app-2
spec:
  # 副本数量
  replicas: 1
  # 标签选择器
  selector:
    matchLabels:
      app: db2
  # Pod 模板
  template:
    metadata:
      # 标签信息
      labels:
        app: db2
    spec:
      # 容器信息
      containers:
      - name: my-mongodb-app-2
        image: mongo
        volumeMounts:
        # 将名为mongodb-data-2的卷挂载到容器内的指定路径
        - name: mongodb-data-2
          # MongoDB默认的数据存储路径
          mountPath: /data/db
      # 卷信息
      volumes:       
      - name: mongodb-data-2
        # 引用PVC的名称即可
        persistentVolumeClaim:
          claimName: mongodb-pvc-2