Operator 開發入門系列（一）：Hello World

背景

我們公司最近計劃將產品遷移到 Kubernetes 環境。 為了更好地管理和自動化我們的應用程序，我們決定使用 Kubernetes Operator。 本系列博客將記錄我們學習和開發 Operator 的過程，希望能幫助更多的人入門 Operator 開發。

目標讀者

  • 對 Kubernetes 有一定了解的開發人員和運維人員
  • 希望使用 Operator 自動化管理應用程序的人員
  • 對 Go 語言有基本了解的人員

準備工作

在開始之前，你需要準備以下環境：

  • Go 語言環境 (>= 1.23): Operator 通常使用 Go 語言開發，你需要安裝 Go 語言環境。 建議使用 Go 1.21 或更高版本。 可以從 https://go.dev/dl/ 下載安裝包。 安裝完成后，請配置好 GOPATH 和 PATH 環境變量。

  • Kubernetes 集群: 你需要一個可用的 Kubernetes 集群來部署和測試 Operator。 可以使用 Minikube、Kind 或其他的 Kubernetes 發行版。

  • kubectl 命令行工具: kubectl 是 Kubernetes 的命令行工具，用于與 Kubernetes 集群交互。 請確保你已經安裝并配置了 kubectl， 并且能夠連接到你的 Kubernetes 集群。

  • Kubebuilder (>= 3.0): Kubebuilder 是一個用于快速構建 Kubernetes Operator 的框架。 使用 Kubebuilder 可以簡化 Operator 的開發流程，并生成一些必要的代碼框架。 可以使用以下命令安裝 Kubebuilder：

cd $HOME/go/bin
curl -L -o kubebuilder "https://go.kubebuilder.io/dl/latest/$(go env GOOS)/$(go env GOARCH)"
chmod +x kubebuilder

請確保 $HOME/go/bin 目錄在你的 PATH 環境變量中。 可以運行 kubebuilder version 命令來驗證 Kubebuilder 是否安裝成功。

  • Docker (可選): 如果你需要構建 Operator 的 Docker 鏡像，你需要安裝 Docker。

我的環境是 MacOS(arm64) + Orbstack

什么是 Operator？

簡單來說，Operator 是 Kubernetes 的擴展，它利用自定義資源（Custom Resources, CRs）來自動化管理應用程序。Operator 允許我們像管理 Kubernetes 內置資源一樣管理復雜的應用程序，例如數據庫、消息隊列等。

為什么選擇 Operator？

Operator 提供了一種聲明式的方式來管理應用程序的生命周期，包括部署、升級、備份、恢復等。它可以簡化運維流程，提高自動化程度，并確保應用程序的狀態符合預期。

我們的第一個 Operator：Hello World

這個 Operator 將監聽一個名為 HelloWorld 的自定義資源，并在 Kubernetes 中創建一個 Pod，該 Pod 運行一個簡單的 “Hello World” 應用程序。

1. 初始化 Kubebuilder 項目

首先，我們需要使用 Kubebuilder 創建一個新的項目。 在你的 GOPATH 目錄下創建一個新的目錄，例如 hello-world-operator，然后進入該目錄，運行以下命令

kubebuilder init --domain infini.cloud --repo github.com/infinilabs/hello-world-operator

這個命令會創建一個新的 Kubebuilder 項目，并生成一些必要的文件和目錄。

2. 創建自定義資源（Custom Resource Definition, CRD）

接下來，我們需要定義 HelloWorld 資源的結構。 運行以下命令

kubebuilder create api --group example --version v1alpha1 --kind HelloWorld

這個命令會創建一個新的 API 定義，包括 api/v1alpha1/helloworld_types.go 和 controllers/helloworld_controller.go 兩個文件。

編輯 api/v1alpha1/helloworld_types.go 文件，修改 HelloWorldSpec 的定義，添加 name 和 message 字段：

// HelloWorldSpec defines the desired state of HelloWorld
type HelloWorldSpec struct {// INSERT ADDITIONAL SPEC FIELDS - desired state of cluster// Important: Run "make" to regenerate code after modifying this file// Name is the name of the HelloWorld resourceName string `json:"name,omitempty"`// Message is the message to be printed by the podMessage string `json:"message,omitempty"`
}

3. 實現 Reconcile 邏輯

編輯 controllers/helloworld_controller.go 文件，實現 Reconcile 函數， 創建一個 Pod，該 Pod 運行一個 busybox 鏡像，并輸出 HelloWorld 資源中定義的 message。

package controllersimport ("context""fmt"corev1 "k8s.io/api/core/v1"apierrors "k8s.io/apimachinery/pkg/api/errors"metav1 "k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1""k8s.io/apimachinery/pkg/runtime"ctrl "sigs.k8s.io/controller-runtime""sigs.k8s.io/controller-runtime/pkg/client""sigs.k8s.io/controller-runtime/pkg/log"examplev1alpha1 "github.com/infinilabs/hello-world-operator/api/v1alpha1"
)// HelloWorldReconciler reconciles a HelloWorld object
type HelloWorldReconciler struct {client.ClientScheme *runtime.Scheme
}//+kubebuilder:rbac:groups=example.com,resources=helloworlds,verbs=get;list;watch;create;update;patch;delete
//+kubebuilder:rbac:groups=example.com,resources=helloworlds/status,verbs=get;update;patch
//+kubebuilder:rbac:groups=example.com,resources=helloworlds/finalizers,verbs=update
//+kubebuilder:rbac:groups=core,resources=pods,verbs=get;list;watch;create;update;patch;delete// Reconcile is part of the main kubernetes reconciliation loop which aims to
// move the current state of the cluster closer to the desired state.
// For more details, check Reconcile and its Result here:
// - https://pkg.go.dev/sigs.k8s.io/controller-runtime@v0.13.0/pkg/reconcile
func (r *HelloWorldReconciler) Reconcile(ctx context.Context, req ctrl.Request) (ctrl.Result, error) {log := log.FromContext(ctx)// 1. Fetch the HelloWorld instancehelloWorld := &examplev1alpha1.HelloWorld{}err := r.Get(ctx, req.NamespacedName, helloWorld)if err != nil {if apierrors.IsNotFound(err) {// Object not found, return.  Created objects are automatically garbage collected.// For additional cleanup logic use finalizers.log.Info("HelloWorld resource not found. Ignoring since object must be deleted")return ctrl.Result{}, nil}// Error reading the object - requeue the request.log.Error(err, "Failed to get HelloWorld")return ctrl.Result{}, err}// 2. Define the desired Podpod := &corev1.Pod{ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{Name:      helloWorld.Name + "-pod",Namespace: helloWorld.Namespace,Labels: map[string]string{"app": helloWorld.Name,},},Spec: corev1.PodSpec{Containers: []corev1.Container{{Name:  "hello-world",Image: "busybox",Command: []string{"sh", "-c", fmt.Sprintf("echo '%s' && sleep 3600", helloWorld.Spec.Message)},},},},}// 3. Set HelloWorld instance as the owner and controllerif err := ctrl.SetControllerReference(helloWorld, pod, r.Scheme); err != nil {log.Error(err, "Failed to set controller reference")return ctrl.Result{}, err}// 4. Check if the Pod already existsfound := &corev1.Pod{}err = r.Get(ctx, client.ObjectKey{Name: pod.Name, Namespace: pod.Namespace}, found)if err != nil && apierrors.IsNotFound(err) {log.Info("Creating a new Pod", "Pod.Namespace", pod.Namespace, "Pod.Name", pod.Name)err = r.Create(ctx, pod)if err != nil {log.Error(err, "Failed to create new Pod", "Pod.Namespace", pod.Namespace, "Pod.Name", pod.Name)return ctrl.Result{}, err}// Pod created successfully - return and requeuereturn ctrl.Result{Requeue: true}, nil} else if err != nil {log.Error(err, "Failed to get Pod")return ctrl.Result{}, err}// 5. Pod already exists - don't requeuelog.Info("Skip reconcile: Pod already exists", "Pod.Namespace", found.Namespace, "Pod.Name", found.Name)return ctrl.Result{}, nil
}// SetupWithManager sets up the controller with the Manager.
func (r *HelloWorldReconciler) SetupWithManager(mgr ctrl.Manager) error {return ctrl.NewControllerManagedBy(mgr).For(&examplev1alpha1.HelloWorld{}).Owns(&corev1.Pod{}).Complete(r)
}

4. 安裝 CRD 到 Kubernetes 集群

運行以下命令安裝 CRD 到 Kubernetes 集群：

make install

5. 運行 Operator

運行以下命令在本地運行 Operator：

make run

6. 創建 HelloWorld 資源

創建一個名為 my-hello-world.yaml 的文件，內容如下：

apiVersion: example.com/v1alpha1
kind: HelloWorld
metadata:name: my-hello-world
spec:name: my-hello-worldmessage: "Hello World from Operator!"

使用 kubectl apply -f my-hello-world.yaml 創建資源。

7. 驗證

使用 kubectl get pods 命令查看是否創建了名為 my-hello-world-pod 的 Pod。 使用 kubectl logs my-hello-world-pod 查看 Pod 的日志，確認是否輸出了 “Hello World from Operator!”。

總結

恭喜你完成了第一個 Operator！ 雖然這個 Operator 非常簡單，但它展示了 Operator 的基本原理：監聽自定義資源，并根據資源的狀態來管理 Kubernetes 資源。 在接下來的系列中，我們將深入探討 Operator 的更多高級特性。

敬請期待下一篇博客！

作者：羅厚付，極限科技（INFINI Labs）云上產品設計與研發負責人，擁有多年安全風控及大數據系統架構經驗，主導過多個核心產品的設計與落地，日常負責運維超大規模 ES 集群（800+節點/1PB+數據）。
原文：https://infinilabs.cn/blog/2025/kubernetes-operator-develop-part-1/

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