PersistentVolume、PersistentVolumeClaim && StorageClass
PersistentVolume、PersistentVolumeClaim && StorageClass
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简介
持久卷（PersistentVolume，PV） 是集群中的一块存储，可以由管理员事先制备， 或者使用存储类（Storage Class）来动态制备。 持久卷是集群资源，就像节点也是集群资源一样。PV 持久卷和普通的 Volume 一样， 也是使用卷插件来实现的，只是它们拥有独立于任何使用 PV 的 Pod 的生命周期。
持久卷申领（PersistentVolumeClaim，PVC） 表达的是用户对存储的请求。概念上与 Pod 类似。 Pod 会耗用节点资源，而 PVC 申领会耗用 PV 资源。Pod 可以请求特定数量的资源（CPU 和内存）；同样 PVC 申领也可以请求特定的大小和访问模式 （例如，可以要求 PV 卷能够以 ReadWriteOnce、ReadOnlyMany 或 ReadWriteMany 模式之一来挂载，参见访问模式）。
尽管 PersistentVolumeClaim 允许用户消耗抽象的存储资源， 常见的情况是针对不同的问题用户需要的是具有不同属性（如，性能）的 PersistentVolume 卷。 集群管理员需要能够提供不同性质的 PersistentVolume， 并且这些 PV 卷之间的差别不仅限于卷大小和访问模式，同时又不能将卷是如何实现的这些细节暴露给用户。 为了满足这类需求，就有了 存储类（StorageClass） 资源。
PersistentVolume && PersistentVolumeClaim
PV 卷的制备有两种方式：静态制备或动态制备。
静态制备
集群管理员创建若干 PV 卷。这些卷对象带有真实存储的细节信息， 并且对集群用户可用（可见）。PV 卷对象存在于 Kubernetes API 中，可供用户消费（使用）。
动态制备
如果管理员所创建的所有静态 PV 卷都无法与用户的 PersistentVolumeClaim 匹配， 集群可以尝试为该 PVC 申领动态制备一个存储卷。 这一制备操作是基于 StorageClass 来实现的：PVC 申领必须请求某个 存储类， 同时集群管理员必须已经创建并配置了该类，这样动态制备卷的动作才会发生。 如果 PVC 申领指定存储类为 “”，则相当于为自身禁止使用动态制备的卷。
创建 PersistentVolume
下面是 hostPath PersistentVolume 的配置文件：
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: task-pv-volume
labels:
type: local
spec:
storageClassName: manual
capacity:
storage: 10Gi
accessModes:
- ReadWriteOnce
hostPath:
path: "/mnt/data"此配置文件指定卷位于集群节点上的 /mnt/data 路径。 其配置还指定了卷的容量大小为 10 GB，访问模式为 ReadWriteOnce， 这意味着该卷可以被单个节点以读写方式安装。 此配置文件还在 PersistentVolume 中定义了 StorageClass 的名称为 manual。 它将用于将 PersistentVolumeClaim 的请求绑定到此 PersistentVolume。
绑定
用户创建一个带有特定存储容量和特定访问模式需求的 PersistentVolumeClaim 对象； 在动态制备场景下，这个 PVC 对象可能已经创建完毕。 主控节点中的控制回路监测新的 PVC 对象，寻找与之匹配的 PV 卷（如果可能的话）， 并将二者绑定到一起。 如果为了新的 PVC 申领动态制备了 PV 卷，则控制回路总是将该 PV 卷绑定到这一 PVC 申领。 否则，用户总是能够获得他们所请求的资源，只是所获得的 PV 卷可能会超出所请求的配置。 一旦绑定关系建立，则 PersistentVolumeClaim 绑定就是排他性的， 无论该 PVC 申领是如何与 PV 卷建立的绑定关系。 PVC 申领与 PV 卷之间的绑定是一种一对一的映射，实现上使用 ClaimRef 来记述 PV 卷与 PVC 申领间的双向绑定关系。
如果找不到匹配的 PV 卷，PVC 申领会无限期地处于未绑定状态。 当与之匹配的 PV 卷可用时，PVC 申领会被绑定。 例如，即使某集群上制备了很多 50 Gi 大小的 PV 卷，也无法与请求 100 Gi 大小的存储的 PVC 匹配。当新的 100 Gi PV 卷被加入到集群时， 该 PVC 才有可能被绑定。
创建 PersistentVolumeClaim
下面是 PersistentVolumeClaim 的配置文件：
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
name: task-pv-claim
spec:
storageClassName: manual
accessModes:
- ReadWriteOnce
resources:
requests:
storage: 3GiNAME CAPACITY ACCESSMODES RECLAIMPOLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE
task-pv-volume 10Gi RWO Retain Bound default/task-pv-claim manual 2m使用
Pod 将 PVC 申领当做存储卷来使用。集群会检视 PVC 申领，找到所绑定的卷， 并为 Pod 挂载该卷。对于支持多种访问模式的卷， 用户要在 Pod 中以卷的形式使用申领时指定期望的访问模式。
一旦用户有了申领对象并且该申领已经被绑定， 则所绑定的 PV 卷在用户仍然需要它期间一直属于该用户。 用户通过在 Pod 的 volumes 块中包含 persistentVolumeClaim 节区来调度 Pod，访问所申领的 PV 卷。
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: task-pv-pod
spec:
volumes:
- name: task-pv-storage
persistentVolumeClaim:
claimName: task-pv-claim
containers:
- name: task-pv-container
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
name: "http-server"
volumeMounts:
- mountPath: "/usr/share/nginx/html"
name: task-pv-storage注意 Pod 的配置文件指定了 PersistentVolumeClaim，但没有指定 PersistentVolume。 对 Pod 而言，PersistentVolumeClaim 就是一个存储卷。
在两个地方挂载相同的 persistentVolume
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: test
spec:
containers:
- name: test
image: nginx
volumeMounts:
# 网站数据挂载
- name: config
mountPath: /usr/share/nginx/html
subPath: html
# Nginx 配置挂载
- name: config
mountPath: /etc/nginx/nginx.conf
subPath: nginx.conf
volumes:
- name: config
persistentVolumeClaim:
claimName: test-nfs-claim你可以在 nginx 容器上执行两个卷挂载:
- /usr/share/nginx/html 用于静态网站
- /etc/nginx/nginx.conf 作为默认配置
注：这里的 subpath 再起一篇吧，现在的排版能力有点退步咯。
保护使用中的存储对象
保护使用中的存储对象（Storage Object in Use Protection） 这一功能特性的目的是确保仍被 Pod 使用的 PersistentVolumeClaim（PVC） 对象及其所绑定的 PersistentVolume（PV）对象在系统中不会被删除，因为这样做可能会引起数据丢失。
说明： 当使用某 PVC 的 Pod 对象仍然存在时，认为该 PVC 仍被此 Pod 使用。 如果用户删除被某 Pod 使用的 PVC 对象，该 PVC 申领不会被立即移除。 PVC 对象的移除会被推迟，直至其不再被任何 Pod 使用。 此外，如果管理员删除已绑定到某 PVC 申领的 PV 卷，该 PV 卷也不会被立即移除。 PV 对象的移除也要推迟到该 PV 不再绑定到 PVC。
你可以看到当 PVC 的状态为 Terminating 且其 Finalizers 列表中包含 kubernetes.io/pvc-protection 时，PVC 对象是处于被保护状态的。
kubectl describe pvc hostpath
Name: hostpath
Namespace: default
StorageClass: example-hostpath
Status: Terminating
Volume:
Labels: <none>
Annotations: volume.beta.kubernetes.io/storage-class=example-hostpath
volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner=example.com/hostpath
Finalizers: [kubernetes.io/pvc-protection]
...你也可以看到当 PV 对象的状态为 Terminating 且其 Finalizers 列表中包含 kubernetes.io/pv-protection 时，PV 对象是处于被保护状态的。
kubectl describe pv task-pv-volume
Name: task-pv-volume
Labels: type=local
Annotations: <none>
Finalizers: [kubernetes.io/pv-protection]
StorageClass: standard
Status: Terminating
Claim:
Reclaim Policy: Delete
Access Modes: RWO
Capacity: 1Gi
Message:
Source:
Type: HostPath (bare host directory volume)
Path: /tmp/data
HostPathType:
Events: <none>回收策略
当用户不再使用其存储卷时，他们可以从 API 中将 PVC 对象删除， 从而允许该资源被回收再利用。PersistentVolume 对象的回收策略告诉集群， 当其被从申领中释放时如何处理该数据卷。 目前，数据卷可以被 Retained（保留）、Recycled（回收）或 Deleted（删除）。
保留（Retain）
回收策略 Retain 使得用户可以手动回收资源。当 PersistentVolumeClaim 对象被删除时，PersistentVolume 卷仍然存在，对应的数据卷被视为"已释放（released）"。 由于卷上仍然存在这前一申领人的数据，该卷还不能用于其他申领。 管理员可以通过下面的步骤来手动回收该卷：
- 删除 PersistentVolume 对象。与之相关的、位于外部基础设施中的存储资产 （例如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk 或 Cinder 卷）在 PV 删除之后仍然存在。
- 根据情况，手动清除所关联的存储资产上的数据。
- 手动删除所关联的存储资产。 如果你希望重用该存储资产，可以基于存储资产的定义创建新的 PersistentVolume 卷对象。
删除（Delete）
对于支持 Delete 回收策略的卷插件，删除动作会将 PersistentVolume 对象从 Kubernetes 中移除，同时也会从外部基础设施（如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk 或 Cinder 卷）中移除所关联的存储资产。 动态制备的卷会继承其 StorageClass 中设置的回收策略， 该策略默认为 Delete。管理员需要根据用户的期望来配置 StorageClass； 否则 PV 卷被创建之后必须要被编辑或者修补。
回收（Recycle）
警告： 回收策略 Recycle 已被废弃。取而代之的建议方案是使用动态制备。
PersistentVolume 删除保护：finalizer
特性状态： Kubernetes v1.23 [alpha]
可以在 PersistentVolume 上添加终结器（Finalizer）， 以确保只有在删除对应的存储后才删除具有 Delete 回收策略的 PersistentVolume。
新引入的 kubernetes.io/pv-controller 和 external-provisioner.volume.kubernetes.io/finalizer 终结器仅会被添加到动态制备的卷上。
终结器 kubernetes.io/pv-controller 会被添加到树内插件卷上。 下面是一个例子：
kubectl describe pv pvc-74a498d6-3929-47e8-8c02-078c1ece4d78
Name: pvc-74a498d6-3929-47e8-8c02-078c1ece4d78
Labels: <none>
Annotations: kubernetes.io/createdby: vsphere-volume-dynamic-provisioner
pv.kubernetes.io/bound-by-controller: yes
pv.kubernetes.io/provisioned-by: kubernetes.io/vsphere-volume
Finalizers: [kubernetes.io/pv-protection kubernetes.io/pv-controller]
StorageClass: vcp-sc
Status: Bound
Claim: default/vcp-pvc-1
Reclaim Policy: Delete
Access Modes: RWO
VolumeMode: Filesystem
Capacity: 1Gi
Node Affinity: <none>
...预留 PersistentVolume
控制平面可以在集群中将 PersistentVolumeClaims 绑定到匹配的 PersistentVolumes。 但是，如果你希望 PVC 绑定到特定 PV，则需要预先绑定它们。
通过在 PersistentVolumeClaim 中指定 PersistentVolume，你可以声明该特定 PV 与 PVC 之间的绑定关系。如果该 PersistentVolume 存在且未被通过其 claimRef 字段预留给 PersistentVolumeClaim，则该 PersistentVolume 会和该 PersistentVolumeClaim 绑定到一起。
绑定操作不会考虑某些卷匹配条件是否满足，包括节点亲和性等等。 控制面仍然会检查存储类、 访问模式和所请求的存储尺寸都是合法的。
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
name: foo-pvc
namespace: foo
spec:
storageClassName: "" # 此处须显式设置空字符串，否则会被设置为默认的 StorageClass
volumeName: foo-pv
...此方法无法对 PersistentVolume 的绑定特权做出任何形式的保证。 如果有其他 PersistentVolumeClaim 可以使用你所指定的 PV， 则你应该首先预留该存储卷。你可以将 PV 的 claimRef 字段设置为相关的 PersistentVolumeClaim 以确保其他 PVC 不会绑定到该 PV 卷。
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: foo-pv
spec:
storageClassName: ""
claimRef:
name: foo-pvc
namespace: foo
...如果你想要使用 claimPolicy 属性设置为 Retain 的 PersistentVolume 卷时， 包括你希望复用现有的 PV 卷时，这点是很有用的
其他
每个 PV 对象都包含 spec 部分和 status 部分，分别对应卷的规约和状态。 PersistentVolume 对象的名称必须是合法的 DNS 子域名.
- 容量 一般而言，每个 PV 卷都有确定的存储容量。 容量属性是使用 PV 对象的 capacity 属性来设置的。 目前，存储大小是可以设置和请求的唯一资源。 未来可能会包含 IOPS、吞吐量等属性。
- 卷模式 特性状态： Kubernetes v1.18 [stable] 针对 PV 持久卷，Kubernetes 支持两种卷模式（volumeModes）：Filesystem（文件系统） 和 Block（块）。 volumeMode 是一个可选的 API 参数。 如果该参数被省略，默认的卷模式是 Filesystem。
volumeMode 属性设置为 Filesystem 的卷会被 Pod 挂载（Mount） 到某个目录。 如果卷的存储来自某块设备而该设备目前为空，Kuberneretes 会在第一次挂载卷之前在设备上创建文件系统。
你可以将 volumeMode 设置为 Block，以便将卷作为原始块设备来使用。 这类卷以块设备的方式交给 Pod 使用，其上没有任何文件系统。 这种模式对于为 Pod 提供一种使用最快可能方式来访问卷而言很有帮助， Pod 和卷之间不存在文件系统层。另外，Pod 中运行的应用必须知道如何处理原始块设备。
- 访问模式 PersistentVolume 卷可以用资源提供者所支持的任何方式挂载到宿主系统上。 如下表所示，提供者（驱动）的能力不同，每个 PV 卷的访问模式都会设置为对应卷所支持的模式值。
访问模式有：
1、ReadWriteOnce 卷可以被一个节点以读写方式挂载。 ReadWriteOnce 访问模式也允许运行在同一节点上的多个 Pod 访问卷。 2、ReadOnlyMany 卷可以被多个节点以只读方式挂载。 3、ReadWriteMany 卷可以被多个节点以读写方式挂载。 4、ReadWriteOncePod 卷可以被单个 Pod 以读写方式挂载。 如果你想确保整个集群中只有一个 Pod 可以读取或写入该 PVC， 请使用 ReadWriteOncePod 访问模式。这只支持 CSI 卷以及需要 Kubernetes 1.22 以上版本。
在命令行接口（CLI）中，访问模式也使用以下缩写形式：
RWO - ReadWriteOnce ROX - ReadOnlyMany RWX - ReadWriteMany RWOP - ReadWriteOncePod
重要提醒！ 每个卷同一时刻只能以一种访问模式挂载，即使该卷能够支持多种访问模式。
访问控制
使用组 ID（GID）配置的存储仅允许 Pod 使用相同的 GID 进行写入。 GID 不匹配或缺失将会导致无权访问错误。 为了减少与用户的协调，管理员可以对 PersistentVolume 添加 GID 注解。 这样 GID 就能自动添加到使用 PersistentVolume 的任何 Pod 中。
使用 pv.beta.kubernetes.io/gid 注解的方法如下所示：
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
apiVersion: v1
metadata:
name: pv1
annotations:
pv.beta.kubernetes.io/gid: "1234"当 Pod 使用带有 GID 注解的 PersistentVolume 时，注解的 GID 会被应用于 Pod 中的所有容器， 应用的方法与 Pod 的安全上下文中指定的 GID 相同。 每个 GID，无论是来自 PersistentVolume 注解还是来自 Pod 规约，都会被应用于每个容器中运行的第一个进程。
说明： 当 Pod 使用 PersistentVolume 时，与 PersistentVolume 关联的 GID 不会在 Pod 资源本身的对象上出现。
StorageClass
StorageClass 为管理员提供了描述存储 “类” 的方法。 不同的类型可能会映射到不同的服务质量等级或备份策略，或是由集群管理员制定的任意策略。 Kubernetes 本身并不清楚各种类代表的什么。这个类的概念在其他存储系统中有时被称为 “配置文件”。
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
name: standard
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
type: gp2
reclaimPolicy: Retain
allowVolumeExpansion: true
mountOptions:
- debug
volumeBindingMode: Immediate每个 StorageClass 都包含 provisioner、parameters 和 reclaimPolicy 字段， 这些字段会在 StorageClass 需要动态分配 PersistentVolume 时会使用到。
StorageClass 对象的命名很重要，用户使用这个命名来请求生成一个特定的类。 当创建 StorageClass 对象时，管理员设置 StorageClass 对象的命名和其他参数，一旦创建了对象就不能再对其更新。
管理员可以为没有申请绑定到特定 StorageClass 的 PVC 指定一个默认的存储类。
由 StorageClass 动态创建的 PersistentVolume 会在类的 reclaimPolicy 字段中指定回收策略，可以是 Delete 或者 Retain。如果 StorageClass 对象被创建时没有指定 reclaimPolicy，它将默认为 Delete。
由 StorageClass 动态创建的 PersistentVolume 将使用类中 mountOptions 字段指定的挂载选项。
如果卷插件不支持挂载选项，却指定了挂载选项，则制备操作会失败。 挂载选项在 StorageClass 和 PV 上都不会做验证，如果其中一个挂载选项无效，那么这个 PV 挂载操作就会失败。
volumeBindingMode 字段控制了卷绑定和动态制备应该发生在什么时候。
默认情况下，Immediate 模式表示一旦创建了 PersistentVolumeClaim 也就完成了卷绑定和动态制备。 对于由于拓扑限制而非集群所有节点可达的存储后端，PersistentVolume 会在不知道 Pod 调度要求的情况下绑定或者制备。
集群管理员可以通过指定 WaitForFirstConsumer 模式来解决此问题。 该模式将延迟 PersistentVolume 的绑定和制备，直到使用该 PersistentVolumeClaim 的 Pod 被创建。 PersistentVolume 会根据 Pod 调度约束指定的拓扑来选择或制备。 这些包括但不限于资源需求、 节点筛选器、 Pod 亲和性和互斥性、 以及污点和容忍度。
如果你选择使用 WaitForFirstConsumer，请不要在 Pod 规约中使用 nodeName 来指定节点亲和性。 如果在这种情况下使用 nodeName，Pod 将会绕过调度程序，PVC 将停留在 pending 状态。
相反，在这种情况下，你可以使用节点选择器作为主机名，如下所示：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: task-pv-pod
spec:
nodeSelector:
kubernetes.io/hostname: kube-01
volumes:
- name: task-pv-storage
persistentVolumeClaim:
claimName: task-pv-claim
containers:
- name: task-pv-container
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
name: "http-server"
volumeMounts:
- mountPath: "/usr/share/nginx/html"
name: task-pv-storage