生产环境中的kubernetes 优先级与抢占

kubernetes 中的抢占功能是调度器比较重要的feature，但是真正使用起来还是比较危险，否则很容易把低优先级的pod给无辜kill。为了提高GPU集群的资源利用率，决定勇于尝试一番该featrue。当然使用之前还是得阅读一下相关的代码做到心里有数，出了问题也方便定位修复。

基本原理

优先级与抢占是为了确保一个高优先级的pod在调度失败后，可以通过"挤走" 低优先级的pod，腾出空间后保证它可以调度成功。 我们首先需要在集群中声明PriorityClass来定义优先等级数值和抢占策略，

apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: high
value: 10000
preemptionPolicy: Never
globalDefault: false
description: "This priority class should be used for high priority service pods."
---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: low
value: -999
globalDefault: false
description: "This priority class should be used for log priority service pods."

如上所示定义了两个PriorityClass对象。然后就可以在pod中声明使用它了：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    run: nginx
  name: high-nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      run: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        run: nginx
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        imagePullPolicy: Always
        name: nginx
        resources:
          limits:
            cpu: "500m"
      priorityClassName: high

这个 Pod 通过 priorityClassName 字段。声明了要使用名叫 high-priority 的 PriorityClass。当这个 Pod 被提交给 Kubernetes 之后，Kubernetes 的 Priority AdmissionController 就会自动将这个 Pod 的spec.priority 字段设置为10000。
如下：

  preemptionPolicy: Never
  priority: 10000
  priorityClassName: high

Pod创建好之后，调度器就会根据创建的priority进行调度的决策，首先会在等待队列中优先调度，如果调度失败就会进行抢占： 依次遍历所有的node找出最适合的node，将该nodename填充在spec.nominatedNodeName字段上，然后等待被抢占的pod全都退出后再次尝试调度到该node之上。具体的逻辑请自行阅读相关代码，此处不在赘述。

生产环境使用方式

• v1.14版本的kubernetes该feature已经GA，默认开启，但此时我们往往没有做好准备，如果直接给pod设置优先级会导致很多意料之外的抢占，造成故障。 （参见How a Production Outage Was Caused Using Kubernetes Pod Priorities）。所以建议在初次使用的时候还是先显式关闭抢占，只设置优先级，等集群中所有的pod都有了各自的优先级之后再开启，此时所有的抢占都是可预期的。可以通过kube-scheduler 配置文件中的disablePreemption: true进行关闭
• 调度器是根据优先级pod.spec.priority数值来决定优先级的，而用户是通过指定pod.sepc.priorityclass的名字来为pod选择优先级的，此时就需要Priority AdmissionController根据priorityclass name为pod自动转换并设置对应的priority数值。我们需要确保该admissionController开启，如果你的kube-apiserver中还是通过--admission-control flag来指定admissionoController的话需要手动添加Priority admissonController，如果是通过--enable-admission-plugins来指定的话，无需操作，该admissionController默认开启。
• 按照集群规划创建对应的PriorityClass及其对应的抢占策略，目前支持两种策略： Never, PreemptLowerPriority。 Never可以指定不抢占其他pod, 即使该pod优先级特别高，这对于一些离线任务较为友好。 非抢占调度在v1.15中为alpha, 需要通过--feature-gates=NonPreemptingPriority=true 进行开启。
• 在创建好了PriorityClass之后，需要防止高优先级的pod过分占用太多资源，使用resourceQuota机制来限制其使用量，避免低优先级的pod总是被高优先级的pod压制，造成资源饥饿。resoueceQuote可以通过指定scope为PriorityClass来限定某个优先级能使用的资源量：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: high-priority
spec:
  hard:
    pods: "10"
  scopeSelector:
    matchExpressions:
    - operator : In
      scopeName: PriorityClass
      values: ["high"]

如上即为限制高优先级的pod最多能创建10个。operator指定了作用的对象，operator: In可以显式指定作用于的哪些priorityClass，operator: Exists则指定作用于该namespace下的所有priorityClass。

• 有时候我们想要只有priorityClass对应的resourceQuota存在之后才能创建pod，确保所有的priorityClass的pod资源都是受控的。 如果那个namespacew没有该resourceQuota则拒绝该pod的创建，该操作可以通过指定--admission-control-config-file文件来设置，内容如下:

apiVersion: apiserver.k8s.io/v1alpha1
kind: AdmissionConfiguration
plugins:
- name: "ResourceQuota"
  configuration:
    apiVersion: resourcequota.admission.k8s.io/v1beta1
    kind: Configuration
    limitedResources:
    - resource: pods
      matchScopes:
      - scopeName: PriorityClass 
        operator: In
        values: ["high"]

该配置定义了： "high"优先级的pod只能在指定的namespaces下创建，该namespaces有作用于"high"优先级的resouceQuota，上面第四步中的resouceQuota即可满足要求。
scopeName定义了作用的对象为priorityClass, operator指定了作用的范围，可以是In操作符，指定某几个value, 也可以是Exits操作符，指定所有的PriorityClass必须有对应的quota存在, 否则该namespace就无法创建该优先级的pod，这些操作符与上面resouceQuota中定义的一一对应。通过这样就限制了一些优先级只能在有资源约束的namespace下创建。

• 如果没有显式指定优先级，则默认的优先级值为0，需要结合业务规划决定是否有必要调整默认优先级。
• 对于一些daemonset需要显式设置较高的优先级来防止被抢占，在部署一个新的daemonset的时候需要考虑是否会造成大规模pod的抢占。
• 等到所有的优先级设置完毕之后就可以开启抢占功能了，此时集群中所有pending 的高优先级pod就会瞬间抢占，还是需要额外小心，确保集群中高优先级的pod不会导致低优先级的pod大规模被kill，如果我们提前设置了对应的resource quota值，则会有一定的资源约束。
• 优先级和抢占对于资源的精细化运营考验很大，对于resource quota的设置需要十分精细，需要考虑两个维度来设置： namespace层面和priority层面，我们既希望限制namespace使用的资源，有希望某个priority使用的资源，防止低优先级的pod资源饥饿。 可以在初期只考虑namespace层面的限制，priority层面通过上层业务来保证，例如创建任务的时候保证集群中高优先级的资源使用量不超过50%等。

其他思考

笔者的线上环境中， 有些再跑的模型训练任务业务对于自动failove实现不是很好，如果中途被抢占了只能从头开始计算，需要占用额外的GPU资源，这种工作类型不允许被抢占，但是如果把他设置为高优先级又不太合适，因为它确实不是最高的优先级，优先级最高的还是在线业务，不能让它抢占在线业务。 它属于中间优先级，可以抢占低优先级的pod。 经过探索发现目前kubernetes并不支持该中类型，当前支持的抢占策略为： Never, PreemptLowerPriority都无法满足需求。所以在此基础上开发了NonPreemptible类型的抢占策略，该优先级的pod是不允许被其他人抢占的，调度还是按照优先级在队列里排队，但是一旦调度上去就无法被抢占。
这种抢占策略略显"霸道"，所以需要谨慎使用，设置resouceQuota，并且只能由特定的任务使用。 并且为了不影响deamonset等优先级最高的任务，允许被某个指定Priority数值之上的pod抢占。并且随着业务的发展，这部分逻辑需要逐步去掉，之所有存在这部分逻辑是因为pod不能被中断，不能被抢占，所以还是需要使这些任务支持重启与挂起，具体来说就是： pod挂载远程磁盘并自动checkpoint，重启之后从以前的恢复点继续执行。等这些业务改造完成之后，逐步去掉这种工作抢占策略

reference

Pod Priority and Preemption
Priority in ResourceQuota
Allow PriorityClasses To Be Non-Preempting