对于经常和 Kubernetes 打交道的 YAML 工程师来说，最常用的命令就是 kubectl exec 了，通过它可以直接在容器内执行命令来调试应用程序。如果你不满足于只是用用而已，想了解 kubectl exec 的工作原理，那么本文值得你仔细读一读。本文将通过参考 kubectl、API Server、Kubelet 和容器运行时接口（CRI）Docker API 中的相关代码来了解该命令是如何工作的。
kubectl exec 的工作原理用一张图就可以表示：
先来看一个例子：
🐳 → kubectl version --short
Client Version: v1.15.0
Server Version: v1.15.3
🐳 → kubectl run nginx --image=nginx --port=80 --generator=run-pod/v1
pod/nginx created
🐳 → kubectl get po
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
nginx 1/1 Running 0 6s
🐳 → kubectl exec nginx -- date
Sat Jan 25 18:47:52 UTC 2020
🐳 → kubectl exec -it nginx -- /bin/bash
root@nginx:/#第一个 kubectl exec 在容器内执行了 date 命令，第二个 kubectl exec 使用 -i 和 -t 参数进入了容器的交互式 shell。
重复第二个 kubectl exec 命令，打印更详细的日志：
🐳 → kubectl -v=7 exec -it nginx -- /bin/bash
I0125 10:51:55.434043 28053 loader.go:359] Config loaded from file: /home/isim/.kube/kind-config-linkerd
I0125 10:51:55.438595 28053 round_trippers.go:416] GET https://127.0.0.1:38545/api/v1/namespaces/default/pods/nginx
I0125 10:51:55.438607 28053 round_trippers.go:423] Request Headers:
I0125 10:51:55.438611 28053 round_trippers.go:426] Accept: application/json, */*
I0125 10:51:55.438615 28053 round_trippers.go:426] User-Agent: kubectl/v1.15.0 (linux/amd64) kubernetes/e8462b5
I0125 10:51:55.445942 28053 round_trippers.go:441] Response Status: 200 OK in 7 milliseconds
I0125 10:51:55.451050 28053 round_trippers.go:416] POST https://127.0.0.1:38545/api/v1/namespaces/default/pods/nginx/exec?command=%2Fbin%2Fbash&container=nginx&stdin=true&stdout=true&tty=true
I0125 10:51:55.451063 28053 round_trippers.go:423] Request Headers:
I0125 10:51:55.451067 28053 round_trippers.go:426] X-Stream-Protocol-Version: v4.channel.k8s.io
I0125 10:51:55.451090 28053 round_trippers.go:426] X-Stream-Protocol-Version: v3.channel.k8s.io
I0125 10:51:55.451096 28053 round_trippers.go:426] X-Stream-Protocol-Version: v2.channel.k8s.io
I0125 10:51:55.451100 28053 round_trippers.go:426] X-Stream-Protocol-Version: channel.k8s.ioI0125 10:51:55.451121 28053 round_trippers.go:426] User-Agent: kubectl/v1.15.0 (linux/amd64) kubernetes/e8462b5
I0125 10:51:55.465690 28053 round_trippers.go:441] Response Status: 101 Switching Protocols in 14 milliseconds
root@nginx:/#这里有两个重要的 HTTP 请求：
GET请求用来获取 Pod 信息。- POST 请求调用 Pod 的子资源
exec在容器内执行命令。
子资源（subresource）隶属于某个 K8S 资源，表示为父资源下方的子路径，例如
/logs、/status、/scale、/exec等。其中每个子资源支持的操作根据对象的不同而改变。
最后 API Server 返回了 101 Ugrade 响应，向客户端表示已切换到 SPDY 协议。
SPDY 允许在单个 TCP 连接上复用独立的 stdin/stdout/stderr/spdy-error 流。
1. API Server 源码分析
请求首先会到底 API Server，先来看看 API Server 是如何注册 rest.ExecRest 处理器来处理子资源请求 /exec 的。这个处理器用来确定 exec 要进入的节点。
API Server 启动过程中做的第一件事就是指挥内嵌的 GenericAPIServer 加载早期的遗留 API（legacy API）：
if c.ExtraConfig.APIResourceConfigSource.VersionEnabled(apiv1.SchemeGroupVersion) {
// ...
if err := m.InstallLegacyAPI(&c, c.GenericConfig.RESTOptionsGetter, legacyRESTStorageProvider); err != nil {
return nil, err
}
}在 API 加载过程中，会将类型 LegacyRESTStorage 实例化，创建一个 storage.PodStorage 实例：
podStorage, err := podstore.NewStorage(
restOptionsGetter,
nodeStorage.KubeletConnectionInfo,
c.ProxyTransport,
podDisruptionClient,
)
if err != nil {
return LegacyRESTStorage{}, genericapiserver.APIGroupInfo{}, err
}随后 storeage.PodStorage 实例会被添加到 map restStorageMap 中。注意，该 map 将路径 pods/exec 映射到了 podStorage 的 rest.ExecRest 处理器。
restStorageMap := map[string]rest.Storage{
"pods": podStorage.Pod,
"pods/attach": podStorage.Attach,
"pods/status": podStorage.Status,
"pods/log": podStorage.Log,
"pods/exec": podStorage.Exec,
"pods/portforward": podStorage.PortForward,
"pods/proxy": podStorage.Proxy,
"pods/binding": podStorage.Binding,
"bindings": podStorage.LegacyBinding,
podstorage为 pod 和子资源提供了CURD逻辑和策略的抽象。更多详细信息请查看内嵌的 genericregistry.Store
map restStorageMap 会成为实例 apiGroupInfo 的一部分，添加到 GenericAPIServer 中：
if err := s.installAPIResources(apiPrefix, apiGroupInfo, openAPIModels); err != nil {
return err
}
// Install the version handler.
// Add a handler at /<apiPrefix> to enumerate the supported api versions.
s.Handler.GoRestfulContainer.Add(discovery.NewLegacyRootAPIHandler(s.discoveryAddresses, s.Serializer, apiPrefix).WebService())其中 GoRestfulContainer.ServeMux 会将传入的请求 URL 映射到不同的处理器。
接下来重点观察处理器 therest.ExecRest 的工作原理，它的 Connect() 方法会调用函数 pod.ExecLocation() 来确定 pod 中容器的 exec 子资源的 URL：
// Connect returns a handler for the pod exec proxy
func (r *ExecREST) Connect(ctx context.Context, name string, opts runtime.Object, responder rest.Responder) (http.Handler, error) {
execOpts, ok := opts.(*api.PodExecOptions)
if !ok {
return nil, fmt.Errorf("invalid options object: %#v", opts)
}
location, transport, err := pod.ExecLocation(r.Store, r.KubeletConn, ctx, name, execOpts)
if err != nil {
return nil, err
}
return newThrottledUpgradeAwareProxyHandler(location, transport, false, true, true, responder), nil
}函数 pod.ExecLocation() 返回的 URL 被 API Server 用来决定连接到哪个节点。
下面接着分析节点上的 Kubelet 源码。
2. Kubelet 源码分析
到了 Kubelet 这边，我们需要关心两点：
- Kubelet 是如何注册
exec处理器的？ - Kubelet 与
Docker API如何交互？
Kubelet 的初始化过程非常复杂，主要涉及到两个函数：
- PreInitRuntimeService() : 使用
dockershim包来初始化CRI。 - RunKubelet() : 注册处理器，启动 Kubelet 服务。
注册处理器
当 Kubelet 启动时，它的 RunKubelet() 函数会调用私有函数 startKubelet() 来启动 kubelet.Kubelet 实例的 ListenAndServe() 方法，然后该方法会调用函数 ListenAndServeKubeletServer() ，使用构造函数 NewServer() 来安装 『debugging』处理器：
// NewServer initializes and configures a kubelet.Server object to handle HTTP requests.
func NewServer(
// ...
criHandler http.Handler) Server {
// ...
if enableDebuggingHandlers {
server.InstallDebuggingHandlers(criHandler)
if enableContentionProfiling {
goruntime.SetBlockProfileRate(1)
}
} else {
server.InstallDebuggingDisabledHandlers()
}
return server
}InstallDebuggingHandlers() 函数使用 getExec() 处理器来注册 HTTP 请求模式：
// InstallDebuggingHandlers registers the HTTP request patterns that serve logs or run commands/containers
func (s *Server) InstallDebuggingHandlers(criHandler http.Handler) {
// ...
ws = new(restful.WebService)
ws.
Path("/exec")
ws.Route(ws.GET("/{podNamespace}/{podID}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
ws.Route(ws.POST("/{podNamespace}/{podID}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
ws.Route(ws.GET("/{podNamespace}/{podID}/{uid}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
ws.Route(ws.POST("/{podNamespace}/{podID}/{uid}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
s.restfulCont.Add(ws)其中 getExec() 处理器又会调用 s.host 实例中的 GetExec() 方法：
// getExec handles requests to run a command inside a container.
func (s *Server) getExec(request *restful.Request, response *restful.Response) {
// ...
podFullName := kubecontainer.GetPodFullName(pod)
url, err := s.host.GetExec(podFullName, params.podUID, params.containerName, params.cmd, *streamOpts)
if err != nil {
streaming.WriteError(err, response.ResponseWriter)
return
}
// ...
}s.host 被实例化为 kubelet.Kubelet 类型的一个实例，它嵌套引用了 StreamingRuntime 接口，该接口又被实例化为 kubeGenericRuntimeManager 的实例，即运行时管理器。该运行时管理器是 Kubelet 与 Docker API 交互的关键组件，GetExec() 方法就是由它实现的：
// GetExec gets the endpoint the runtime will serve the exec request from.
func (m *kubeGenericRuntimeManager) GetExec(id kubecontainer.ContainerID, cmd []string, stdin, stdout, stderr, tty bool) (*url.URL, error) {
// ...
resp, err := m.runtimeService.Exec(req)
if err != nil {
return nil, err
}
return url.Parse(resp.Url)
}GetExec() 又会调用 runtimeService.Exec() 方法，进一步挖掘你会发现 runtimeService 是 CRI 包中定义的接口。kuberuntime.kubeGenericRuntimeManager 的 runtimeService 被实例化为 kuberuntime.instrumentedRuntimeService 类型，由它来实现 runtimeService.Exec() 方法：
func (in instrumentedRuntimeService) Exec(req *runtimeapi.ExecRequest) (*runtimeapi.ExecResponse, error) {
const operation = "exec"
defer recordOperation(operation, time.Now())
resp, err := in.service.Exec(req)
recordError(operation, err)
return resp, err
}instrumentedRuntimeService 实例的嵌套服务对象被实例化为 theremote.RemoteRuntimeService 类型的实例。该类型实现了 Exec() 方法：
// Exec prepares a streaming endpoint to execute a command in the container, and returns the address.
func (r *RemoteRuntimeService) Exec(req *runtimeapi.ExecRequest) (*runtimeapi.ExecResponse, error) {
ctx, cancel := getContextWithTimeout(r.timeout)
defer cancel()
resp, err := r.runtimeClient.Exec(ctx, req)
if err != nil {
klog.Errorf("Exec %s '%s' from runtime service failed: %v", req.ContainerId, strings.Join(req.Cmd, " "), err)
return nil, err
}
if resp.Url == "" {
errorMessage := "URL is not set"
klog.Errorf("Exec failed: %s", errorMessage)
return nil, errors.New(errorMessage)
}
return resp, nil
}Exec() 方法会向 /runtime.v1alpha2.RuntimeService/Exec 发起一个 gRPC 调用来让运行时端准备一个流式通信的端点，该端点用于在容器中执行命令（关于如何将 Docker shim 设置为 gRPC 服务端的更多信息请参考下一小节）。
gRPC 服务端通过调用 RuntimeServiceServer.Exec() 方法来处理请求，该方法由 dockershim.dockerService 结构体实现：
// Exec prepares a streaming endpoint to execute a command in the container, and returns the address.
func (ds *dockerService) Exec(_ context.Context, req *runtimeapi.ExecRequest) (*runtimeapi.ExecResponse, error) {
if ds.streamingServer == nil {
return nil, streaming.NewErrorStreamingDisabled("exec")
}
_, err := checkContainerStatus(ds.client, req.ContainerId)
if err != nil {
return nil, err
}
return ds.streamingServer.GetExec(req)
}第 10 行的 ThestreamingServer 是一个 streaming.Server 接口，它在构造函数 dockershim.NewDockerService() 中被实例化：
// create streaming server if configured.
if streamingConfig != nil {
var err error
ds.streamingServer, err = streaming.NewServer(*streamingConfig, ds.streamingRuntime)
if err != nil {
return nil, err
}
}来看一下 GetExec() 方法的实现方式：
func (s *server) GetExec(req *runtimeapi.ExecRequest) (*runtimeapi.ExecResponse, error) {
if err := validateExecRequest(req); err != nil {
return nil, err
}
token, err := s.cache.Insert(req)
if err != nil {
return nil, err
}
return &runtimeapi.ExecResponse{
Url: s.buildURL("exec", token),
}, nil
}可以看到这里只是向客户端返回一个简单的 token 组合成的 URL， 之所以生成一个 token 是因为用户的命令中可能包含各种各样的字符，各种长度的字符，需要格式化为一个简单的 token。 该 token 会缓存在本地，后面真正的 exec 请求会携带这个 token，通过该 token 找到之前的具体请求。其中 restful.WebService 实例会将 pod exec 请求路由到这个端点：
// InstallDebuggingHandlers registers the HTTP request patterns that serve logs or run commands/containers
func (s *Server) InstallDebuggingHandlers(criHandler http.Handler) {
// ...
ws = new(restful.WebService)
ws.
Path("/exec")
ws.Route(ws.GET("/{podNamespace}/{podID}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
ws.Route(ws.POST("/{podNamespace}/{podID}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
ws.Route(ws.GET("/{podNamespace}/{podID}/{uid}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
ws.Route(ws.POST("/{podNamespace}/{podID}/{uid}/{containerName}").
To(s.getExec).
Operation("getExec"))
s.restfulCont.Add(ws)创建 Docker shim
PreInitRuntimeService() 函数作为 gRPC 服务端，负责创建并启动 Docker shim。在将dockershim.dockerService 类型实例化时，让其嵌套的 streamingRuntime 实例引用 dockershim.NativeExecHandler 的实例（该实例实现了 dockershim.ExecHandler 接口）。
ds := &dockerService{
// ...
streamingRuntime: &streamingRuntime{
client: client,
execHandler: &NativeExecHandler{},
},
// ...
}使用 Docker 的 exec API 在容器中执行命令的核心实现就是 NativeExecHandler.ExecInContainer() 方法：
func (*NativeExecHandler) ExecInContainer(client libdocker.Interface, container *dockertypes.ContainerJSON, cmd []string, stdin io.Reader, stdout, stderr io.WriteCloser, tty bool, resize <-chan remotecommand.TerminalSize, timeout time.Duration) error {
// ...
startOpts := dockertypes.ExecStartCheck{Detach: false, Tty: tty}
streamOpts := libdocker.StreamOptions{
InputStream: stdin,
OutputStream: stdout,
ErrorStream: stderr,
RawTerminal: tty,
ExecStarted: execStarted,
}
err = client.StartExec(execObj.ID, startOpts, streamOpts)
if err != nil {
return err
}
// ...这里就是最终 Kubelet 调用 Docker exec API 的地方。
最后需要搞清楚的是 streamingServer 处理器如何处理 exec 请求。首先需要找到它的 exec 处理器，我们直接从构造函数 streaming.NewServer() 开始往下找，因为这是将 /exec/{token} 路径绑定到 serveExec 处理器的地方：
ws := &restful.WebService{}
endpoints := []struct {
path string
handler restful.RouteFunction
}{
{"/exec/{token}", s.serveExec},
{"/attach/{token}", s.serveAttach},
{"/portforward/{token}", s.servePortForward},
}所有发送到 dockershim.dockerService 实例的请求最终都会在 streamingServer 处理器上完成，因为 dockerService.ServeHTTP() 方法会调用 streamingServer 实例的 ServeHTTP() 方法。
serveExec 处理器会调用 remoteCommand.ServeExec() 函数，这个函数又是干嘛的呢？它会调用前面提到的 Executor.ExecInContainer() 方法，而 ExecInContainer() 方法是知道如何与 Docker exec API 通信的：
// ServeExec handles requests to execute a command in a container. After
// creating/receiving the required streams, it delegates the actual execution
// to the executor.
func ServeExec(w http.ResponseWriter, req *http.Request, executor Executor, podName string, uid types.UID, container string, cmd []string, streamOpts *Options, idleTimeout, streamCreationTimeout time.Duration, supportedProtocols []string) {
// ...
err := executor.ExecInContainer(podName, uid, container, cmd, ctx.stdinStream, ctx.stdoutStream, ctx.stderrStream, ctx.tty, ctx.resizeChan, 0)
if err != nil {
// ...
} else {
// ...
}
}3. 总结
本文通过解读 kubectl、API Server 和 CRI 的源码，帮助大家理解 kubectl exec 命令的工作原理，当然，这里并没有涉及到 Docker exec API 的细节，也没有涉及到 docker exec 的工作原理。
首先，kubectl 向 API Server 发出了 GET 和 POST 请求，API Server 返回了 101 Ugrade 响应，向客户端表示已切换到 SPDY 协议。
随后 API Server 使用 storage.PodStorage 和 rest.ExecRest 来提供处理器的映射和执行逻辑，其中 rest.ExecRest 处理器决定 exec 要进入的节点。
最后 Kubelet 向 Docker shim 请求一个流式端点 URL，并将 exec 请求转发到 Docker exec API。kubelet 再将这个 URL 以 Redirect 的方式返回给 API Server，请求就会重定向到到对应 Streaming Server 上发起的 exec 请求，并维护长链。
虽然本文只关注了 kubectl exec 命令，但其他的子命令（例如 attach、port-forward、log 等等）也遵循了类似的实现模式：
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