背景

测试的时候，通常需要将 Pod 中的 container 频繁地杀死，重启。在这个过程中，Pod 的状态经常会出现 CrashLoopBackOff，而且 container 重启的时间越来越长。

分析

为了避免 container 频繁地 restart，k8s 对 container restart 过程做了限制，使用 back-off 的方法，官方文档中的说法是：

Failed containers that are restarted by Kubelet, are restarted with an exponential back-off delay, the delay is in multiples of sync-frequency 0, 1x, 2x, 4x, 8x … capped at 5 minutes and is reset after 10 minutes of successful execution.

• https://kubernetes-v1-4.github.io/docs/user-guide/pod-states/

这里先直接给出结论：

1. 在 Pod 中 restart container 的时候（具体时机是，周期性执行 SyncPod() 的时候），Pod 会通过自身的 Status 结构找到当前这个 container（因为 Pod 中可能有多个 container）上一次退出的时间，记为 ts
2. 如果是第一次 restart，那么直接重启 container，并且在 Kubelet 的 backOff.perItemBackoff （一个 map 结构，key 是根据 container 和所在 pod 对象计算出来的 id）中记录下次 backoff 的时间（初始值为 10s，然后按照指数增长，最大 5min）
3. 如果不是第一次 restart，即 Kubelet 的 backOff.perItemBackoff 中已经有这个 container 的 backOff 记录，计为 backoff，那么
   • 如果 now() - ts < backoff，表明等待的时间还不够，抛出 CrashLoopBackOff Event（然后等到下一个 SyncPod 的周期到的时候，重新比较这个值）
   • 否则，说明已经等待 backoff 时间了，可以 restart 了，此时执行 backOff.Next()，将该容器对应的 backoff 翻倍，然后执行 restart 操作

4 . 在步骤 3 中计算 backoff 的过程中，还会去检查当前时间距离上一次 container 退出时的间隔，如果大于 2 * MaxContainerBackOff = 10 minutes，那么会将这个 container 对应的 backoff 重置为初始值 10s

源码细节

1. kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go

通过源码发现，kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go 文件中有两个常量：

MaxContainerBackOff = 300 * time.Second
backOffPeriod = time.Second * 10

使用这两个变量构造了一个 BackOff 对象，这个是 kubelet 的属性，对该 node 上所有 pod 都适用

klet.backOff = flowcontrol.NewBackOff(backOffPeriod, MaxContainerBackOff)

BackOff 结构如下

type Backoff struct {
    sync.Mutex
    Clock           clock.Clock
    defaultDuration time.Duration
    maxDuration     time.Duration
    perItemBackoff  map[string]*backoffEntry
}

然后在 SyncPod 方法中使用这个对象

// Call the container runtime's SyncPod callback
result := kl.containerRuntime.SyncPod(pod, apiPodStatus, podStatus, pullSecrets, kl.backOff)

2. kubernetes/pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_manager.go

SyncPod 具体做的事有：

// SyncPod syncs the running pod into the desired pod by executing following steps:
//
//  1. Compute sandbox and container changes.
//  2. Kill pod sandbox if necessary.
//  3. Kill any containers that should not be running.
//  4. Create sandbox if necessary.
//  5. Create init containers.
//  6. Create normal containers.
func (m *kubeGenericRuntimeManager) SyncPod(pod *v1.Pod, _ v1.PodStatus, podStatus *kubecontainer.PodStatus, pullSecrets []v1.Secret, backOff *flowcontrol.Backoff) (result kubecontainer.PodSyncResult) {

同样在这个文件中，有一个关键的函数

// If a container is still in backoff, the function will return a brief backoff error and
// a detailed error message.
func (m *kubeGenericRuntimeManager) doBackOff(pod *v1.Pod, container *v1.Container, podStatus *kubecontainer.PodStatus, backOff *flowcontrol.Backoff) (bool, string, error) {
    var cStatus *kubecontainer.ContainerStatus
    for _, c := range podStatus.ContainerStatuses {
        if c.Name == container.Name && c.State == kubecontainer.ContainerStateExited {
            cStatus = c
            break
        }
    }

    if cStatus == nil {
        return false, "", nil
    }

    glog.Infof("checking backoff for container %q in pod %q", container.Name, format.Pod(pod))
    // Use the finished time of the latest exited container as the start point to calculate whether to do back-off.
    ts := cStatus.FinishedAt
    // backOff requires a unique key to identify the container.
    key := getStableKey(pod, container)
    if backOff.IsInBackOffSince(key, ts) {
        if ref, err := kubecontainer.GenerateContainerRef(pod, container); err == nil {
            m.recorder.Eventf(ref, v1.EventTypeWarning, events.BackOffStartContainer, "Back-off restarting failed container")
        }
        err := fmt.Errorf("Back-off %s restarting failed container=%s pod=%s", backOff.Get(key), container.Name, format.Pod(pod))
        glog.Infof("%s", err.Error())
        return true, err.Error(), kubecontainer.ErrCrashLoopBackOff
    }

    backOff.Next(key, ts)
    return false, "", nil
}

其中 backOff.Next 函数定义如下

// move backoff to the next mark, capping at maxDuration
func (p *Backoff) Next(id string, eventTime time.Time) {
    p.Lock()
    defer p.Unlock()
    entry, ok := p.perItemBackoff[id]
    if !ok || hasExpired(eventTime, entry.lastUpdate, p.maxDuration) {
        entry = p.initEntryUnsafe(id)
    } else {
        delay := entry.backoff * 2 // exponential
        entry.backoff = time.Duration(integer.Int64Min(int64(delay), int64(p.maxDuration)))
    }
    entry.lastUpdate = p.Clock.Now()
}