从 Linux Crontab 到 K8s CronJob，定时任务正在经历怎样的变革

阿里云云原生
801 阅读11分钟

作者：黄晓萌(学仁)

背景

Job 表示短周期的作业，定时 Job 表示按照预定的时间运行Job，或者按照某一频率周期性的运行 Job。比如：

image.png

许多传统企业使用 Linux 自带的 crontab 来做定时任务的方案，该方案非常简单，适合做主机上的运维工作，比如定时清理日志、周期性做健康检查。随着信息化时代的高速发展，业务变得越来越复杂，很多场景都需要定时任务，但是 crontab 方案存在高可用问题，不适合应用在业务应用上。

在云原生时代，K8s CronJob 设计了一套高可用的定时任务解决方案，保障了业务的稳定。但是把 K8s CronJob 应用在生产上，发现定时任务真的出问题的时候排查起来很麻烦，于是越来越多用户对定时任务的可观测有了更多的诉求，阿里云也推出了自己的云原生定时任务解决方案，可以托管原生 K8s CronJob，提供可报警、可观测、可运维等能力，帮助企业提效。

Linux Crontab 方案面临的问题

什么是 Crontab

Crontab 是 Linux 系统中的一个服务，用于创建、编辑和管理定时任务。通过 crontab 命令，用户可以设置系统在指定时间自动执行某个命令或脚本。

Crontab 命令的语法分为两部分，分别是时间表达式和命令。时间表达式如下：

# ┌───────────── 分钟 (0 - 59)
# │ ┌───────────── 小时 (0 - 23)
# │ │ ┌───────────── 月的某天 (1 - 31)
# │ │ │ ┌───────────── 月份 (1 - 12)
# │ │ │ │ ┌───────────── 周的某天 (0 - 6)（周日到周一；在某些系统上，7 也是星期日）
# │ │ │ │ │                          或者是 sun，mon，tue，web，thu，fri，sat
# │ │ │ │ │
# │ │ │ │ │
# * * * * *

命令常用来执行某个脚本，举个例子：

  • 每隔 5 分钟执行 hello.sh：*/5 * * * * sh /root/script/hello.sh
  • 每天早上 6 点半执行 world.py:  30 6 * * * python /root/script/world.py

Crontab 的工作原理

Crontab 由一个名为"Crond"的守护进程负责调度任务，当 Crond 启动的时候，就会从配置文件（路径在 /var/spool/cron 下）加载所有的定时任务。当执行 crontab 命令的时候，会动态的添加新的定时任务，并加入到配置文件中。Crontab 每次执行任务，都会产生执行记录，目录在 /var/log/cron 下。

图片

Crontab 的痛点问题

图片

使用 crontab 主要有如下痛点：

  • 无高可用： 为了保证业务幂等执行，需要在不同的机器配置不同的 crontab 任务。crontab 只能调度本机器上的定时任务，如果某一个机器挂了，那上面的定时任务也都不会执行了，有稳定性风险。
  • 无自动负载均衡： 不同的脚本放在不同的机器上，需要手动负载均衡，如果脚本比较多，运维代价很高。
  • 无权限隔离： 一般企业生产的机器只有运维才能登陆，但是开发要新增/修改脚本和定时任务，也需要登录到生产的机器上，没法做到权限隔离。

云原生 K8s CronJob 方案的优势

什么是 K8s CronJob

Job 是 K8s 中的一种资源，用来处理短周期的 Pod，相当于一次性任务，跑完就会把 Pod 销毁，不会一直占用资源，可以节省成本，提高资源利用率。CronJob 也是 K8s 中的资源，用来周期性的重复调度 Job。

下面是一个 CronJob 的示例，每隔 5 分钟调度脚本 edas/schedulerx-job.sh：

apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  name: hello
spec:
  schedule: "*/5 * * * *"
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          containers:
          - name: hello
            image: busybox:1.28
            imagePullPolicy: IfNotPresent
            command: ["/bin/sh", "/root/script/edas/schedulerx-job.sh"]
          restartPolicy: OnFailure

K8s CronJob 的优势

图片

与单纯使用 Crontab 相比，使用 K8s CronJob 带来了如下优势：

  • 高可用： K8s 会保证集群的高可用，如集群中有节点挂了，都不会影响定时任务的调度。
  • 自动负载均衡： Pod 默认选择负载最低的 node 执行，支持 NodeSelector 和亲和性等多种负载均衡策略。
  • 权限隔离： 只有运维可以登录 master 和 worker 节点，开发通过管控或者 ApiServer 来创建和更新 CronJob，并且支持命名空间隔离，RBAC 权限管理。

K8s CronJob 的进阶能力

Linux Crontab 只能周期性调度本机的脚本，功能比较简单，K8s 定时任务支持更多的进阶能力：

  • 在 Job 资源上
    • 并行执行： 通常一个 Job 只启动一个 Pod，可以通过配置 spec.completions 参数，来决定一个 Job 要执行多少个 Pod。
    • 索引任务： 并行执行通常需要和索引任务结合使用，当配置 .spec.completionMode="Indexed" 时，这个 Job 就是一个索引任务，每个 Pod 会获得一个不同的索引值，介于 0 和 .spec.completions-1 之间，这样就可以让不同的 Pod 根据索引值处理不同的数据。
    • 并行限流： 并行执行的时候，通常还需要做限流，可以配置 .spec.parallelism 参数，来控制一个 Job 最多同时跑多少个 Pod。
    • 失败自动重试： 可以配置 .spec.backoffLimit，来设置 Job 失败重试次数。
    • 超时： 可以配置 .spec.activeDeadlineSeconds，来设置 Job 超时的时间。
  • 在 CronJob 资源上
    • 时区： 可以通过设置 .spec.timeZone 参数，决定 CronJob 按照哪个时区的时间来调度任务。
    • 并发性规则： 当一个 Job 还在执行，下次调度时间到了，是否执行新的 Job，可以通过 .spec.concurrencyPolicy 来配置，取值为 Allow/Forbid/Replace。
    • 任务历史限制： 可以通过配置 .spec.successfulJobsHistoryLimit 和 .spec.failedJobsHistoryLimit 来决定保留多少成功和失败的 Job。

阿里云 K8s CronJob 提效新模式

阿里云分布式任务调度 SchedulerX 和云原生结合，推出可视化 K8s Job 解决方案。针对脚本使用者，屏蔽了容器服务的细节，不用构建镜像就可以让不熟悉容器的同学（比如运维和运营同学）玩转 K8s Job，受益容器服务带来的降本增效福利。针对容器使用者，SchedulerX 不但完全兼容原生的 K8s Job，还能支持历史执行记录、日志服务、重跑任务、报警监控、可视化任务编排等能力，为企业级应用保驾护航。

快速迁移 Crontab 脚本任务

通过上面的章节，我们知道 Linux Crontab 存在许多问题，迁移到 K8s CronJob 可以带来很多好处，但是要从 crontab 迁移到 K8s CronJob 还是挺麻烦的，这里以通过 python 脚本访问数据库为例，来对比两种方案的差异。

K8s 原生解决方案

  1. 将 crontab 脚本拷贝到本地，取名为 edas/schedulerx-job.py
#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-

import MySQLdb

# 打开数据库连接
db = MySQLdb.connect("localhost", "testuser", "test123", "TESTDB", charset='utf8' )

# 使用cursor()方法获取操作游标 
cursor = db.cursor()

# SQL 查询语句
sql = "SELECT * FROM EMPLOYEE \
WHERE INCOME > %s" % (1000)
try:
    # 执行SQL语句
    cursor.execute(sql)
    # 获取所有记录列表
    results = cursor.fetchall()
    for row in results:
        fname = row[0]
        lname = row[1]
        age = row[2]
        sex = row[3]
        income = row[4]
        # 打印结果
        print "fname=%s,lname=%s,age=%s,sex=%s,income=%s" % \
        (fname, lname, age, sex, income )
        except:
    print "Error: unable to fetch data"

# 关闭数据库连接
db.close()
  1. 在本地编写 Dockerfile
FROM python:3

WORKDIR /usr/src/app

COPY requirements.txt ./
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

COPY edas/schedulerx-job.py /root/edas/schedulerx-job.py

CMD [ "python", "/root/edas/schedulerx-job.py" ]
  1. 制作 docker 镜像，推到镜像仓库中
docker build -t registry.cn-beijing.aliyuncs.com/demo/edas/schedulerx-job:1.0.0 .
docker push registry.cn-beijing.aliyuncs.com/demo/edas/schedulerx-job:1.0.0
  1. 编写 K8s CronJob 的 YAML 文件，image 选择第 3 步制作的镜像，command 的命令为执行脚本
apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  name: demo-python
spec:
  schedule: "*/5 * * * *"
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          containers:
          - name: demo-python
            image: registry.cn-beijing.aliyuncs.com/demo/edas/schedulerx-job:1.0.0
            imagePullPolicy: IfNotPresent
            command: ["python",  "/root/edas/schedulerx-job.py"]
          restartPolicy: OnFailure

我们看到把一个 contab 迁移到 K8s CronJob，就需要这么多步骤，如果之后要修改脚本，还需要重新构建镜像和重新发布 K8s CronJob，这里先不计算开始之前的学习成本，单纯从使用角度来看，有着较高的上手成本。

阿里云解决方案

阿里任务调度 SchedulerX 结合云原生技术，提出了一套可视化的脚本任务解决方案，通过任务调度系统来管理脚本，直接在线编写脚本，不需要构建镜像，就可以将脚本以 Pod 的方式在用户的 K8s 集群当中运行起来，使用非常方便，如下图：

图片

  1. 在你的 K8s 集群中部署一个 schedulerx-deployment（只需要装一次），注册到 SchedulerX 上来，让 SchedulerX 可以调度你的 K8s 上的 Pod

  2. 在 SchedulerX 任务管理新建一个 K8s 任务，资源类型选择 Python-Script（当前支持 shell/python/php/nodejs 四种脚本类型），把脚本拷贝进去，然后配置定时表达式

图片

这里的镜像只需要构建一个基础镜像即可，如果脚本内容有修改，只要依赖的库没有改变，就不需要重新构建镜像。

  1. 等调度时间到了，或者通过控制台手动运行一次，可以在 K8s 集群中看到以 Pod 的方式运行脚本，Pod 名称为 schedulerx-python-{JobId}

image.png

下面通过一个表格更方便的看到两个方案的差异：

K8s原生解决方案阿里云解决方案
脚本管理不支持支持，通过SchedulerX控制台可以进行脚本管理
开发效率慢，每次修改脚本都需要重新构建镜像快，在线修改脚本，不需要构建镜像，自动部署
学习成本高，需要学习Docker和K8s等容器相关知识低，不需要容器相关知识，会写脚本就行

增强原生 K8s CronJob

SchedulerX 不但能够快速开发 K8s 脚本任务，屏蔽容器服务的细节，给不熟悉容器服务的同学带来福音，同时还能托管原生 K8s Job/CronJob，增强可运维可观测等能力。

K8s 原生解决方案

以官方提供的 CronJob 为例。

  1. 编写 hello.yaml
apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  name: hello
spec:
  schedule: "* * * * *"
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          containers:
          - name: hello
            image: perl:5.34
            command: ["perl",  "-Mbignum=bpi", "-wle", "print bpi(100)"]
          restartPolicy: OnFailure
  1. 在 K8s 集群中运行该 CronJob，查看 pod 历史记录和日志

图片

发现原生的 CronJob 只能查看最近 3 条执行记录和日志，想要查看更久之前的记录无法看到，这在业务出现问题想排查的时候就变得尤为困难。虽然可以通过配置 .spec.successfulJobsHistoryLimit 和 .spec.failedJobsHistoryLimit 来保留更多的 Pod 历史记录，但是保留更多的 Pod，就会更加占用 K8s 集群的资源，因为 Job 已经跑完了，只是为了查看日志保留更多历史记录，成本太高了。

阿里云解决方案

阿里任务调度 SchedulerX 可以托管原生 K8s Job/CronJob，方便移植，使用 SchedulerX 托管，可以具有更强的可运维可观测能力，比如任务重跑、日志服务、报警监控等。

  1. 新建 K8s 任务，任务类型选择 K8s，资源类型选择 Job-YAML，打印 bpi(-1)

图片

  1. 通过工具来生成 cron 表达式，比如每小时第 8 分钟跑

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  1. 调度时间还没到，也可以手动点击“运行一次”来进行测试

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  1. 在 K8s 集群中可以看到 Job 和 Pod 启动成功，每个任务只会保留最近一次调度的 Pod，减少 K8s 集群的资源占用

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  1. 在 SchedulerX 控制台也可以看到历史执行记录，发现运行失败

image.png

  1. 在 SchedulerX 控制台可以看到任务运行日志，查看失败原因

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  1. 在线修改任务的 YAML，打印 bpi(100)

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  1. 不需要删除 Job，通过控制台来重跑任务

image.png

  1. 任务重跑成功，且能看到新的日志

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图片

下面通过一个表格来对比两个方案的差异：

K8s原生解决方案阿里云解决方案
手动运行一次不支持支持
手动重跑任务不支持支持
Cron定时调度支持，YAML配置支持，兼容开源CronJob的YAML，也支持通过控制台动态配置
K8s资源占用高，保留最近3次Pod低，仅保留最近1次Pod
历史记录最近3次最近300次
日志最近3次最近2周，支持搜索
报警不支持支持，企业级报警通知服务
操作记录不支持支持

总结

在云原生时代，使用 K8s CronJob 在很多场景下可以作为 Linux Crontab 替换的解决方案，解决了crontab的一系列痛点问题。通过阿里云 SchedulerX 来调度你的 K8s CronJob，能够降低学习成本，加快开发效率，让你的任务失败可报警，出问题可排查， 打造云原生可观测体系下的定时任务。

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