Kubernetes 亲和性（Affinity）和反亲和性（Anti-Affinity）是什么？如何使用它们控制 Pod 调度？ - 面试题

Kubernetes 亲和性（Affinity）和反亲和性（Anti-Affinity）是用于控制 Pod 调度的机制，它们允许用户定义 Pod 与节点或其他 Pod 之间的关系，从而影响调度决策。

亲和性类型

1. 节点亲和性（Node Affinity）

节点亲和性用于控制 Pod 调度到哪些节点上。

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

硬性要求，Pod 必须调度到满足条件的节点上，否则调度失败。

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-node-affinity
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/e2e-az-name
            operator: In
            values:
            - us-west-1a
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

软性偏好，调度器优先选择满足条件的节点，但如果没有满足条件的节点，也可以调度到其他节点。

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-node-affinity
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: disktype
            operator: In
            values:
            - ssd
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

2. Pod 亲和性（Pod Affinity）

Pod 亲和性用于控制 Pod 调度到哪些节点上，基于已经运行在该节点上的 Pod。

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: security
            operator: In
            values:
            - S1
        topologyKey: topology.kubernetes.io/zone
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 100
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: security
              operator: In
              values:
              - S2
          topologyKey: topology.kubernetes.io/zone
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

3. Pod 反亲和性（Pod Anti-Affinity）

Pod 反亲和性用于控制 Pod 不调度到哪些节点上，基于已经运行在该节点上的 Pod。

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-antiaffinity
spec:
  affinity:
    podAntiAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app
            operator: In
            values:
            - web
        topologyKey: kubernetes.io/hostname
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-antiaffinity
spec:
  affinity:
    podAntiAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 100
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: app
              operator: In
              values:
              - web
          topologyKey: kubernetes.io/hostname
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

操作符类型

In：标签的值在给定的列表中
NotIn：标签的值不在给定的列表中
Exists：标签存在
DoesNotExist：标签不存在
Gt：标签的值大于给定值（仅适用于数值）
Lt：标签的值小于给定值（仅适用于数值）

拓扑域键（Topology Key）

拓扑域键用于定义节点的分组方式，常见的拓扑域键包括：

kubernetes.io/hostname：按主机名分组
topology.kubernetes.io/zone：按可用区分组
topology.kubernetes.io/region：按区域分组
node.kubernetes.io/instance-type：按实例类型分组

亲和性规则的行为

调度阶段（During Scheduling）

required：硬性要求，必须满足
preferred：软性偏好，优先满足

执行阶段（During Execution）

Ignored：Pod 运行后，如果条件不再满足，不影响已运行的 Pod
Required：Pod 运行后，如果条件不再满足，需要驱逐 Pod（目前不支持）

亲和性 vs nodeSelector

特性	nodeSelector	节点亲和性
复杂度	简单	复杂
灵活性	低	高
支持的操作符	等值	多种操作符
优先级	无	支持权重

使用场景

节点亲和性使用场景

硬件要求：将 Pod 调度到具有特定硬件的节点（如 GPU、SSD）
区域要求：将 Pod 调度到特定区域或可用区
操作系统要求：将 Pod 调度到运行特定操作系统的节点

Pod 亲和性使用场景

通信优化：将需要频繁通信的 Pod 调度到同一节点，减少网络延迟
依赖关系：将依赖的 Pod 调度到同一节点，提高性能
数据局部性：将 Pod 调度到存储数据的节点附近

Pod 反亲和性使用场景

高可用性：将相同应用的 Pod 分散到不同节点，避免单点故障
资源竞争：避免资源密集型 Pod 调度到同一节点
故障隔离：将不同应用的 Pod 分散到不同节点，减少故障影响范围

最佳实践

合理使用硬性要求：避免过度使用 required 规则，可能导致调度失败
设置合理的权重：为 preferred 规则设置合适的权重，影响调度决策
使用标签和注解：为节点和 Pod 添加有意义的标签，便于使用亲和性规则
监控调度结果：监控 Pod 的调度情况，确保亲和性规则按预期工作
结合污点和容忍度：结合使用亲和性和污点/容忍度，实现更精细的调度控制
避免过度复杂：避免创建过于复杂的亲和性规则，影响调度性能
测试规则：在非生产环境测试亲和性规则，确保正确性

示例：高可用 Web 应用

yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - web
            topologyKey: kubernetes.io/hostname
        nodeAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - weight: 100
            preference:
              matchExpressions:
              - key: disktype
                operator: In
                values:
                - ssd
      containers:
      - name: web
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80

这个示例确保：

每个 Web Pod 调度到不同的节点（高可用性）
优先选择具有 SSD 的节点（性能优化）