主题
云原生开发篇概述
课程目标
通过本系列课程的学习，你将能够：
- 理解云原生开发的概念和核心原则
- 掌握Kubernetes Operator开发模式
- 开发自定义CRD和控制器
- 使用client-go与K8s API交互
- 构建云原生应用和工具
- 应用云原生开发最佳实践
前置要求：
- 熟练掌握Go语言编程
- 已完成K8S基础篇和进阶篇所有课程
- 了解Kubernetes架构和核心资源
一、云原生开发简介
1.1 什么是云原生开发
云原生开发是一种基于Kubernetes等云原生技术的软件开发方法，它扩展了Kubernetes的能力，实现：
| 能力 | 说明 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 自定义资源 | 扩展K8s API，定义新的资源类型 | 数据库、消息队列等复杂应用管理 |
| 自动化运维 | 将运维知识编码到软件中 | 自动扩缩容、故障恢复、备份 |
| 平台扩展 | 开发K8s插件和扩展 | CSI存储插件、CNI网络插件、调度器扩展 |
| 工具开发 | 开发K8s生态工具 | CLI工具、Dashboard、监控系统 |
1.2 云原生开发 vs 传统运维开发
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 云原生开发 vs 传统运维开发 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 传统运维开发 云原生开发 │
│ ├─ Shell/Python脚本 ├─ Go语言为主 │
│ ├─ 调用命令行工具 ├─ 直接调用K8s API │
│ ├─ 外部协调管理 ├─ 控制器模式（声明式） │
│ ├─ 被动响应 ├─ 主动监听和调谐 │
│ └─ 难以扩展 └─ 充分利用K8s生态 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘1.3 云原生开发技术栈
| 技术领域 | 核心技术 | 用途 |
|---|---|---|
| 编程语言 | Go | K8s原生语言，生态完善 |
| K8s客户端 | client-go | 与K8s API交互的官方SDK |
| 代码生成 | controller-gen, code-generator | 自动生成K8s相关代码 |
| Operator框架 | Operator SDK, Kubebuilder | 快速开发Operator |
| API设计 | OpenAPI, CRD | 定义自定义资源 |
| 存储 | etcd client | 直接与etcd交互（高级） |
二、课程体系
2.1 课程结构
云原生开发篇
├── 140-云原生开发篇概述（本文档）
│ └── 介绍云原生开发的概念和学习路径
│
├── 141-Operator开发基础
│ ├── Operator概念和架构
│ ├── Operator SDK入门
│ ├── 控制器模式详解
│ └── 开发第一个Operator
│
├── 142-自定义CRD开发
│ ├── CRD结构和定义
│ ├── OpenAPI验证
│ ├── 多版本管理
│ └── 开发自定义控制器
│
└── 143-K8s客户端开发
├── client-go架构和组件
├── Informer机制
├── WorkQueue使用
└── 开发K8s管理工具2.2 学习路径建议
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 推荐学习路径 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 第1阶段：基础准备 │
│ ├─ 确保Go语言基础扎实（并发、接口、反射） │
│ ├─ 完成K8S基础篇和进阶篇 │
│ └─ 了解K8s架构和核心资源 │
│ │ │
│ ▼ │
│ 第2阶段：Operator开发 │
│ ├─ 学习Operator概念和架构 │
│ ├─ 使用Operator SDK创建项目 │
│ ├─ 理解控制器模式和Reconcile循环 │
│ └─ 开发简单的Operator（如自定义应用管理器） │
│ │ │
│ ▼ │
│ 第3阶段：CRD深入开发 │
│ ├─ 掌握CRD高级特性（验证、版本、转换） │
│ ├─ 开发复杂的自定义控制器 │
│ └─ 实现Status子资源和Finalizer │
│ │ │
│ ▼ │
│ 第4阶段：client-go开发 │
│ ├─ 理解client-go架构 │
│ ├─ 掌握Informer和WorkQueue │
│ └─ 开发K8s管理工具和CLI │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘三、开发环境准备
3.1 安装Go
bash
# 下载Go 1.21+（推荐最新稳定版）
wget https://go.dev/dl/go1.21.5.linux-amd64.tar.gz
sudo tar -C /usr/local -xzf go1.21.5.linux-amd64.tar.gz
# 配置环境变量
echo 'export PATH=$PATH:/usr/local/go/bin' >> ~/.bashrc
echo 'export GOPATH=$HOME/go' >> ~/.bashrc
echo 'export GOROOT=/usr/local/go' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
# 验证安装
go version3.2 安装开发工具
bash
# 安装Operator SDK
export ARCH=$(case $(uname -m) in x86_64) echo -n amd64 ;; aarch64) echo -n arm64 ;; *) echo -n $(uname -m) ;; esac)
export OS=$(uname | awk '{print tolower($0)}')
export OPERATOR_SDK_DL_URL=https://github.com/operator-framework/operator-sdk/releases/download/v1.33.0
curl -LO ${OPERATOR_SDK_DL_URL}/operator-sdk_${OS}_${ARCH}
gpg --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys 052996E2A20B5C7E
curl -LO ${OPERATOR_SDK_DL_URL}/checksums.txt
curl -LO ${OPERATOR_SDK_DL_URL}/checksums.txt.asc
gpg -u "Operator SDK (release) <cncf-operator-sdk@cncf.io>" --verify checksums.txt.asc
chmod +x operator-sdk_${OS}_${ARCH} && sudo mv operator-sdk_${OS}_${ARCH} /usr/local/bin/operator-sdk
# 安装Kubebuilder
wget https://github.com/kubernetes-sigs/kubebuilder/releases/download/v3.13.0/kubebuilder_linux_amd64
chmod +x kubebuilder_linux_amd64
sudo mv kubebuilder_linux_amd64 /usr/local/bin/kubebuilder
# 安装kustomize
curl -s "https://raw.githubusercontent.com/kubernetes-sigs/kustomize/master/hack/install_kustomize.sh" | bash
sudo mv kustomize /usr/local/bin/
# 安装其他工具
go install sigs.k8s.io/controller-tools/cmd/controller-gen@latest
go install sigs.k8s.io/kind@latest3.3 配置K8s开发集群
bash
# 使用kind创建开发集群
cat > kind-config.yaml <<EOF
kind: Cluster
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
nodes:
- role: control-plane
kubeadmConfigPatches:
- |
kind: InitConfiguration
nodeRegistration:
kubeletExtraArgs:
node-labels: "ingress-ready=true"
extraPortMappings:
- containerPort: 80
hostPort: 80
protocol: TCP
- containerPort: 443
hostPort: 443
protocol: TCP
- role: worker
- role: worker
EOF
kind create cluster --config kind-config.yaml --name dev
# 验证集群
kubectl cluster-info
kubectl get nodes四、核心概念预习
4.1 Operator模式
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Operator模式 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ 用户声明期望 │────────▶│ 自定义资源(CR) │ │
│ │ (Desired State)│ │ (MySQL集群) │ │
│ └─────────────────┘ └────────┬────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ 实际状态 │◀────────│ Operator │ │
│ │ (Actual State) │ │ (控制器) │ │
│ │ (运行的Pod) │ │ │ │
│ └─────────────────┘ └─────────────────┘ │
│ │ │
│ │ 调谐(Reconcile) │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ │
│ │ Kubernetes │ │
│ │ API Server │ │
│ └─────────────────┘ │
│ │
│ 核心思想：声明式管理 + 控制循环 + 领域知识编码 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘4.2 CRD与Controller关系
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ CRD与Controller关系 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ CRD (Custom Resource Definition) │
│ ├─ 定义新的资源类型（Schema） │
│ ├─ 扩展Kubernetes API │
│ └─ 声明式配置接口 │
│ │
│ Controller (控制器) │
│ ├─ 监听资源变化（Watch） │
│ ├─ 调谐实际状态（Reconcile） │
│ └─ 实现业务逻辑 │
│ │
│ Operator = CRD + Controller(s) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘4.3 client-go架构
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ client-go架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Client │───▶│ Informer │───▶│ WorkQueue │ │
│ │ (RESTClient│ │ (缓存+监听) │ │ (事件队列) │ │
│ └─────────────┘ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ │
│ │ │ │
│ ▼ ▼ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Indexer │ │ Handler │ │
│ │ (本地缓存) │ │ (处理逻辑) │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │
│ 核心组件： │
│ ├─ RESTClient：底层HTTP客户端 │
│ ├─ Informer：监听资源变化，维护本地缓存 │
│ ├─ WorkQueue：异步处理队列 │
│ └─ Indexer：本地存储索引 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘五、实战项目预览
5.1 项目1：MySQL Operator
目标：开发一个管理MySQL集群的Operator
功能：
- 创建/删除MySQL集群
- 自动配置主从复制
- 自动故障切换
- 定时备份
5.2 项目2：自定义Ingress控制器
目标：开发轻量级Ingress控制器
功能：
- 监听Ingress资源
- 动态配置Nginx
- 支持TLS终止
- 访问日志记录
5.3 项目3：K8s资源管理CLI
目标：开发K8s资源管理工具
功能：
- 批量操作资源
- 资源使用统计
- 成本分析
- 资源清理
六、学习资源
6.1 官方文档
6.2 推荐书籍
- 《Kubernetes编程》
- 《Kubernetes Operator开发指南》
- 《Go语言高级编程》
6.3 开源项目参考
七、总结
云原生开发是运维工程师进阶的重要方向，通过开发Operator和自定义控制器，你可以：
- 将运维经验代码化：把重复性运维工作自动化
- 构建平台能力：为团队提供标准化的运维平台
- 深入理解K8s：通过开发更深入理解Kubernetes原理
- 提升职业竞争力：云原生开发是云时代的高薪技能
下节预告
在《Operator开发基础》中，我们将：
- 深入了解Operator架构和工作原理
- 学习使用Operator SDK创建项目
- 理解控制器模式和Reconcile循环
- 开发第一个简单的Operator
💡 学习建议：
- 确保Go语言基础扎实，特别是接口和并发编程
- 在开始学习前，确保已完成K8S基础篇和进阶篇
- 准备充足的实验时间，云原生开发需要大量实践