彻底搞懂kubernetes调度框架与插件

调度框架（ Scheduling Framework ）是Kubernetes 的调度器 kube-scheduler 设计的的可插拔架构，将插件（调度算法）嵌入到调度上下文的每个扩展点中，并编译为 kube-scheduler

在 kube-scheduler 1.22 之后，在 pkg/scheduler/framework/interface.go 中定义了一个 Plugin 的 interface ，这个 interface 作为了所有插件的父级。而每个未调度的 Pod，Kubernetes 调度器会根据一组规则尝试在集群中寻找一个节点。

type Plugin interface {
	Name() string
}

下面会对每个算法是如何实现的进行分析

在初始化 scheduler 时，会创建一个 profile ，profile是关于 scheduler 调度配置相关的定义

func New(client clientset.Interface,
...
	profiles, err := profile.NewMap(options.profiles, registry, recorderFactory, stopCh,
		frameworkruntime.WithComponentConfigVersion(options.componentConfigVersion),
		frameworkruntime.WithClientSet(client),
		frameworkruntime.WithKubeConfig(options.kubeConfig),
		frameworkruntime.WithInformerFactory(informerFactory),
		frameworkruntime.WithSnapshotSharedLister(snapshot),
		frameworkruntime.WithPodNominator(nominator),
		frameworkruntime.WithCaptureProfile(frameworkruntime.CaptureProfile(options.frameworkCapturer)),
		frameworkruntime.WithClusterEventMap(clusterEventMap),
		frameworkruntime.WithParallelism(int(options.parallelism)),
		frameworkruntime.WithExtenders(extenders),
	)
	if err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("initializing profiles: %v", err)
	}

	if len(profiles) == 0 {
		return nil, errors.New("at least one profile is required")
	}
....
}

关于 profile 的实现，则为 KubeSchedulerProfile ，也是作为 yaml生成时传入的配置

// KubeSchedulerProfile 是一个 scheduling profile.
type KubeSchedulerProfile struct {
	// SchedulerName 是与此配置文件关联的调度程序的名称。
    // 如果 SchedulerName 与 pod “spec.schedulerName”匹配，则使用此配置文件调度 pod。
	SchedulerName string

	// Plugins指定应该启用或禁用的插件集。
    // 启用的插件是除了默认插件之外应该启用的插件。禁用插件应是禁用的任何默认插件。
    // 当没有为扩展点指定启用或禁用插件时，将使用该扩展点的默认插件（如果有）。
    // 如果指定了 QueueSort 插件，
    /// 则必须为所有配置文件指定相同的 QueueSort Plugin 和 PluginConfig。
    // 这个Plugins展现的形式则是调度上下文中的所有扩展点(这是抽象)，实际中会表现为多个扩展点
	Plugins *Plugins

	// PluginConfig 是每个插件的一组可选的自定义插件参数。
    // 如果省略PluginConfig参数等同于使用该插件的默认配置。
	PluginConfig []PluginConfig
}

对于 profile.NewMap 就是根据给定的配置来构建这个framework，因为配置可能是存在多个的。而 Registry 则是所有可用插件的集合，内部构造则是 PluginFactory ,通过函数来构建出对应的 plugin

func NewMap(cfgs []config.KubeSchedulerProfile, r frameworkruntime.Registry, recorderFact RecorderFactory,
	stopCh <-chan struct{}, opts ...frameworkruntime.Option) (Map, error) {
	m := make(Map)
	v := cfgValidator{m: m}

	for _, cfg := range cfgs {
		p, err := newProfile(cfg, r, recorderFact, stopCh, opts...)
		if err != nil {
			return nil, fmt.Errorf("creating profile for scheduler name %s: %v", cfg.SchedulerName, err)
		}
		if err := v.validate(cfg, p); err != nil {
			return nil, err
		}
		m[cfg.SchedulerName] = p
	}
	return m, nil
}

// newProfile 给的配置构建出一个profile
func newProfile(cfg config.KubeSchedulerProfile, r frameworkruntime.Registry, recorderFact RecorderFactory,
	stopCh <-chan struct{}, opts ...frameworkruntime.Option) (framework.Framework, error) {
	recorder := recorderFact(cfg.SchedulerName)
	opts = append(opts, frameworkruntime.WithEventRecorder(recorder))
	return frameworkruntime.NewFramework(r, &cfg, stopCh, opts...)
}

可以看到最终返回的是一个 Framework 。那么来看下这个 Framework

Framework 是一个抽象，管理着调度过程中所使用的所有插件，并在调度上下文中适当的位置去运行对应的插件

type Framework interface {
	Handle
	// QueueSortFunc 返回对调度队列中的 Pod 进行排序的函数
    // 也就是less，在Sort打分阶段的打分函数
	QueueSortFunc() LessFunc
    
    // RunPreFilterPlugins 运行配置的一组PreFilter插件。
    // 如果这组插件中，任何一个插件失败，则返回 *Status 并设置为non-success。
    // 如果返回状态为non-success，则调度周期中止。
    // 它还返回一个 PreFilterResult，它可能会影响到要评估下游的节点。
    
	RunPreFilterPlugins(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod) (*PreFilterResult, *Status)

    // RunPostFilterPlugins 运行配置的一组PostFilter插件。 
    // PostFilter 插件是通知性插件，在这种情况下应配置为先执行并返回 Unschedulable 状态，
    // 或者尝试更改集群状态以使 pod 在未来的调度周期中可能会被调度。
	RunPostFilterPlugins(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, filteredNodeStatusMap NodeToStatusMap) (*PostFilterResult, *Status)

    // RunPreBindPlugins 运行配置的一组 PreBind 插件。
    // 如果任何一个插件返回错误，则返回 *Status 并且code设置为non-success。
    // 如果code为“Unschedulable”，则调度检查失败，
    // 则认为是内部错误。在任何一种情况下，Pod都不会被bound。
	RunPreBindPlugins(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string) *Status

    // RunPostBindPlugins 运行配置的一组PostBind插件
	RunPostBindPlugins(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string)

    // RunReservePluginsReserve运行配置的一组Reserve插件的Reserve方法。
    // 如果在这组调用中的任何一个插件返回错误，则不会继续运行剩余调用的插件并返回错误。
    // 在这种情况下，pod将不能被调度。
	RunReservePluginsReserve(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string) *Status

    // RunReservePluginsUnreserve运行配置的一组Reserve插件的Unreserve方法。
	RunReservePluginsUnreserve(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string)

    // RunPermitPlugins运行配置的一组Permit插件。
    // 如果这些插件中的任何一个返回“Success”或“Wait”之外的状态，则它不会继续运行其余插件并返回错误。
    // 否则，如果任何插件返回 “Wait”，则此函数将创建等待pod并将其添加到当前等待pod的map中，
    // 并使用“Wait” code返回状态。 Pod将在Permit插件返回的最短持续时间内保持等待pod。
	RunPermitPlugins(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string) *Status

    // 如果pod是waiting pod，WaitOnPermit 将阻塞，直到等待的pod被允许或拒绝。
	WaitOnPermit(ctx context.Context, pod *v1.Pod) *Status

    // RunBindPlugins运行配置的一组bind插件。 Bind插件可以选择是否处理Pod。
    // 如果 Bind 插件选择跳过binding，它应该返回 code=5("skip")状态。
    // 否则，它应该返回“Error”或“Success”。
    // 如果没有插件处理绑定，则RunBindPlugins返回code=5("skip")的状态。
	RunBindPlugins(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string) *Status

	// 如果至少定义了一个filter插件，则HasFilterPlugins返回true
	HasFilterPlugins() bool

    // 如果至少定义了一个PostFilter插件，则HasPostFilterPlugins返回 true。
	HasPostFilterPlugins() bool

	// 如果至少定义了一个Score插件，则HasScorePlugins返回 true。
	HasScorePlugins() bool

    // ListPlugins将返回map。key为扩展点名称，value则是配置的插件列表。
	ListPlugins() *config.Plugins

    // ProfileName则是与profile name关联的framework
	ProfileName() string
}

而实现这个抽象的则是 frameworkImpl ； frameworkImpl 是初始化与运行 scheduler plugins 的组件，并在调度上下文中会运行这些扩展点

type frameworkImpl struct {
   registry             Registry
   snapshotSharedLister framework.SharedLister
   waitingPods          *waitingPodsMap
   scorePluginWeight    map[string]int
   queueSortPlugins     []framework.QueueSortPlugin
   preFilterPlugins     []framework.PreFilterPlugin
   filterPlugins        []framework.FilterPlugin
   postFilterPlugins    []framework.PostFilterPlugin
   preScorePlugins      []framework.PreScorePlugin
   scorePlugins         []framework.ScorePlugin
   reservePlugins       []framework.ReservePlugin
   preBindPlugins       []framework.PreBindPlugin
   bindPlugins          []framework.BindPlugin
   postBindPlugins      []framework.PostBindPlugin
   permitPlugins        []framework.PermitPlugin

   clientSet       clientset.Interface
   kubeConfig      *restclient.Config
   eventRecorder   events.EventRecorder
   informerFactory informers.SharedInformerFactory

   metricsRecorder *metricsRecorder
   profileName     string

   extenders []framework.Extender
   framework.PodNominator

   parallelizer parallelize.Parallelizer
}

那么来看下 Registry ， Registry 是作为一个可用插件的集合。 framework 使用 registry 来启用和对插件配置的初始化。在初始化框架之前，所有插件都必须在注册表中。表现形式就是一个 map[] ； key 是插件的名称，value是 PluginFactory 。

type Registry map[string]PluginFactory

而在 pkg\scheduler\framework\plugins\registry.go 中会将所有的 in-tree plugin 注册进来。通过 NewInTreeRegistry 。后续如果还有插件要注册，可以通过 WithFrameworkOutOfTreeRegistry 来注册其他的插件。

func NewInTreeRegistry() runtime.Registry {
	fts := plfeature.Features{
		EnableReadWriteOncePod:                       feature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.ReadWriteOncePod),
		EnableVolumeCapacityPriority:                 feature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.VolumeCapacityPriority),
		EnableMinDomainsInPodTopologySpread:          feature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.MinDomainsInPodTopologySpread),
		EnableNodeInclusionPolicyInPodTopologySpread: feature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.NodeInclusionPolicyInPodTopologySpread),
	}

	return runtime.Registry{
		selectorspread.Name:                  selectorspread.New,
		imagelocality.Name:                   imagelocality.New,
		tainttoleration.Name:                 tainttoleration.New,
		nodename.Name:                        nodename.New,
		nodeports.Name:                       nodeports.New,
		nodeaffinity.Name:                    nodeaffinity.New,
		podtopologyspread.Name:               runtime.FactoryAdapter(fts, podtopologyspread.New),
		nodeunschedulable.Name:               nodeunschedulable.New,
		noderesources.Name:                   runtime.FactoryAdapter(fts, noderesources.NewFit),
		noderesources.BalancedAllocationName: runtime.FactoryAdapter(fts, noderesources.NewBalancedAllocation),
		volumebinding.Name:                   runtime.FactoryAdapter(fts, volumebinding.New),
		volumerestrictions.Name:              runtime.FactoryAdapter(fts, volumerestrictions.New),
		volumezone.Name:                      volumezone.New,
		nodevolumelimits.CSIName:             runtime.FactoryAdapter(fts, nodevolumelimits.NewCSI),
		nodevolumelimits.EBSName:             runtime.FactoryAdapter(fts, nodevolumelimits.NewEBS),
		nodevolumelimits.GCEPDName:           runtime.FactoryAdapter(fts, nodevolumelimits.NewGCEPD),
		nodevolumelimits.AzureDiskName:       runtime.FactoryAdapter(fts, nodevolumelimits.NewAzureDisk),
		nodevolumelimits.CinderName:          runtime.FactoryAdapter(fts, nodevolumelimits.NewCinder),
		interpodaffinity.Name:                interpodaffinity.New,
		queuesort.Name:                       queuesort.New,
		defaultbinder.Name:                   defaultbinder.New,
		defaultpreemption.Name:               runtime.FactoryAdapter(fts, defaultpreemption.New),
	}
}

这里插入一个题外话，关于 in-tree plugin

在这里没有找到关于， kube-scheduler ，只是找到有关的概念，大概可以解释为，in-tree表示为随kubernetes官方提供的二进制构建的 plugin 则为 in-tree ，而独立于kubernetes代码库之外的为 out-of-tree 。这种情况下，可以理解为，AA则是 out-of-tree 而 Pod , DeplymentSet 等是 in-tree 。

接下来回到初始化 scheduler ，在初始化一个 scheduler 时，会通过 NewInTreeRegistry 来初始化

func New(client clientset.Interface,
	....
	registry := frameworkplugins.NewInTreeRegistry()
	if err := registry.Merge(options.frameworkOutOfTreeRegistry); err != nil {
		return nil, err
	}
         
	...

	profiles, err := profile.NewMap(options.profiles, registry, recorderFactory, stopCh,
		frameworkruntime.WithComponentConfigVersion(options.componentConfigVersion),
		frameworkruntime.WithClientSet(client),
		frameworkruntime.WithKubeConfig(options.kubeConfig),
		frameworkruntime.WithInformerFactory(informerFactory),
		frameworkruntime.WithSnapshotSharedLister(snapshot),
		frameworkruntime.WithPodNominator(nominator),
		f