📚 课程目录第2章 Kubernetes调度基础

2. Kubernetes 调度基础：调度器核心组件、调度队列与调度周期

Kubernetes 调度器（kube-scheduler）是控制平面中负责将 Pod 绑定到合适 Node 的核心组件。理解其内部架构、调度队列机制以及两阶段调度周期，是进行调度优化与故障排查的前提。本章将深入剖析调度器的三大核心模块：Scheduler Framework、调度队列与调度周期。

2.1 调度器核心组件与 Scheduler Framework

Kubernetes 从 v1.19 开始将调度器重构为可插拔的 Scheduler Framework 架构。该框架定义了一组扩展点（Extension Points），允许用户通过编写插件（Plugin）来定制调度行为，而无需修改核心代码。

2.2 调度队列（Scheduling Queue）

调度队列是调度器的输入缓冲区，负责管理等待调度的 Pod。Kubernetes 使用优先级队列（Priority Queue）实现，Pod 按优先级排序，高优先级 Pod 优先出队。队列内部维护三个子队列：

子队列	存储内容	出队策略	典型场景
ActiveQ	等待首次调度的 Pod	按优先级排序，高优先级先出队	新创建的 Pod
BackoffQ	调度失败后进入退避的 Pod	退避时间到期后移回 ActiveQ	资源不足、节点污点不匹配
UnschedulableQ	因不可调度原因（如资源不足）失败的 Pod	集群拓扑变化（如新节点加入）时重新评估	持久性资源不足、节点选择器不匹配

排查提示：当 Pod 长时间处于 Pending 状态时，可通过 kubectl describe pod <pod-name> 查看 Events 字段。若事件显示 "0/3 nodes are available"，说明 Pod 进入了 UnschedulableQ。此时应检查节点资源水位或污点配置。

2.3 调度周期（Scheduling Cycle）与绑定周期（Binding Cycle）

调度器将每个 Pod 的调度过程拆分为两个独立的周期：调度周期和绑定周期。调度周期是串行的，绑定周期是并行的，这种设计显著提升了调度吞吐量。

2.3.1 调度周期（Scheduling Cycle）

调度周期是串行执行的，同一时间只有一个 Pod 处于调度周期中。它包含以下阶段：

PreFilter：预处理 Pod 信息，检查 Pod 是否满足基本约束（如节点选择器、亲和性）。
Filter：过滤节点，找出所有满足 Pod 资源请求和约束的候选节点。
PostFilter：当 Filter 阶段没有找到可用节点时，执行干预逻辑（如抢占式调度）。
PreScore：为 Score 阶段准备数据，如计算节点亲和性得分。
Score：对候选节点进行打分，分数越高表示节点越适合运行该 Pod。
NormalizeScore：对分数进行归一化处理，确保不同插件的分数在同一量级。
Reserve：在调度器缓存中预留资源，防止并发调度导致资源冲突。
Permit：允许或拒绝调度结果，支持等待/超时机制（如用于多调度器协调）。

2.3.2 绑定周期（Binding Cycle）

绑定周期是并行执行的，多个 Pod 可以同时处于绑定周期中。它包含以下阶段：

PreBind：执行绑定前的准备工作，如动态创建存储卷（PV）。
Bind：向 API Server 发送绑定请求，将 Pod 与 Node 关联。
PostBind：绑定完成后的清理或通知逻辑。

  性能关键点：调度周期是串行的，因此 Filter 和 Score 阶段的插件执行效率直接影响调度吞吐量。在生产环境中，建议将耗时较长的插件（如外部资源检查）放在 PreFilter 或 PreScore 阶段，避免阻塞整个调度周期。

2.4 调度器工作流程总结

以下表格总结了调度器从 Pod 入队到绑定完成的完整流程：

步骤	组件/阶段	操作	输出
1	调度队列	Pod 进入 ActiveQ，按优先级排序	高优先级 Pod 出队
2	调度周期	执行 Filter → Score → Reserve → Permit	选定目标 Node
3	绑定周期	执行 PreBind → Bind → PostBind	Pod 与 Node 绑定
4	调度队列	Pod 从队列中移除	调度完成

常见误区：调度周期中的 Reserve 阶段仅在调度器缓存中预留资源，并未实际写入 etcd。如果绑定周期失败，Reserve 阶段预留的资源会被释放。因此，不要将 Reserve 视为最终资源锁定。

2.5 调度器插件配置示例

以下是一个自定义调度器配置的 YAML 示例，展示了如何通过 Scheduler Framework 注册插件：

apiVersion: kubescheduler.config.k8s.io/v1
kind: KubeSchedulerConfiguration
profiles:
  - schedulerName: custom-scheduler
    plugins:
      filter:
        enabled:
          - name: NodeResourcesFit
          - name: NodeName
        disabled:
          - name: NodeUnschedulable
      score:
        enabled:
          - name: NodeResourcesBalancedAllocation
            weight: 2
          - name: ImageLocality
            weight: 1
    pluginConfig:
      - name: NodeResourcesBalancedAllocation
        args:
          resources:
            - name: cpu
              weight: 1
            - name: memory
              weight: 1

该配置定义了一个名为 custom-scheduler 的调度器，启用了自定义的 Filter 和 Score 插件，并禁用了默认的 NodeUnschedulable 过滤器。