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client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试

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本篇概览

  • 尽管长篇系列《client-go实战》的内容足够丰富，然而内容太多每个知识点也有一定深度，对于打算快速学习并开始kubernetes开发的新手并不友好，因此本篇的目标读者就是client-go初学者，重点解决两个基础问题：
  1. 如何编码操作kubernetes？
  2. 对应的单元测试代码怎么写，运行单元测试时可是没有kubernetes环境的，这时咱们写的那些操作kubernetes的代码能运行吗？
  • 注意一：本篇写的代码是Go语言
  • 注意二：文末有源码下载地址，对应本篇的完整工程源码

环境信息

  • 以下是本篇实战涉及的软件的版本信息，作为您的参考
  1. go：1.19.3
  2. kubernetes：1.22.8
  3. client-go：v0.22.8
  4. 开发机：Ubuntu 20.04.4 LTS
  5. 编码环境：Windows 11 家庭中文版 + vs code 1.79.2
  • 这里顺便提一下，编码环境不重要，我这里使用vs code的Remote Explorer插件远程连接到开发机上进行操作，也就是说写代码用的是windows编码环境，实际编译和运行都在开发机Ubuntu上面，如下图
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP
  • 本篇的主题是编码操作kubernetes，因此请确保kubernetes环境已经就绪

如何编码操作kubernetes？

  • 想要编码操作kubernetes，需要使用client-go库，因此本篇主要演示的就是如何使用该库
  • 首先要确定client-go的版本，这和您自己的kubernetes环境有关，在确定了kubernetes版本后如何确定client-go的版本呢？来看client-go官方说明，如下图
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP
  • 简单解释一下如何确定版本
  1. client-go的版本一共有两类：旧版的kubernetes-1.x.y和新版v0.x.y
  2. 如果kubernetes版本大于或等于1.17.0，client-go版本请选择新版，举例：如果kubernetes版本是1.20.4，client-go版本就是v0.20.4
  3. 如果kubernetes版本小于1.17.0，client-go版本请选择旧版，举例：如果kubernetes版本是1.20.4，client-go版本就是kubernetes-1.16.3
  4. 综上所述，本文使用：kubernetes:1.22.8和client-go:v0.22.8的组合

方案设计

  • 正式编码前先说清楚要开发的内容，整体架构如下：
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP

  • 下面的具体的步骤：

  1. 开发一个web服务，名为client-go-unit-tutorials，基于gin框架
  2. 提供一个接口query_pods_by_label_app，作用是根据namespace和label的值，查询出符合条件的所有pod的名称
  3. 上述接口的具体实现用到了client-go库，使用库中的api去kubernetes的api-server查找pod，将结果的name作为接口的返回值，返回给请求方
  4. client-go库要想成功访问kubernetes，必须要有kubernetes环境的.kube/config文件，这里为了省事儿，直接将web服务部署到kubernetes环境的机器上，这样就能直接访问.kube/config文件了
  5. 编写单元测试代码，在没有kubernetes环境的情况下，也能成功执行那段操作kubernetes的代码
  • 再次提醒：client-go-unit-tutorials可以在一个独立的机器上运行，也能直接运行在kubernetes机器上，还能做成镜像运行在kubernetes环境
  • 接下来开始编码吧

编码：准备工程

  • 执行命令名为go mod init client-go-unit-tutorials，新建module
  • 确保您的goproxy是正常的
  • 执行命令go get -u github.com/gin-gonic/gin，下载gin
  • 执行命令go get k8s.io/client-go@v0.22.8，下载client-go的指定版本
  • 现在工程已经准备好了，接着就是具体的编码，我们先从最核心的开始：操作kubernetes

编码：操作kubernetes

  • 新建文件夹kubernetes_service，在里面新增文件kube.go，这是集中了kubernetes操作的代码，内容如下，这里面有几处要注意的地方，稍后会提到
package kubernetesservice

import (
	"context"
	"flag"
	"log"
	"path/filepath"
	"sync"

	"k8s.io/client-go/kubernetes"
	"k8s.io/client-go/tools/clientcmd"
	"k8s.io/client-go/util/homedir"

	v1 "k8s.io/api/core/v1"
	metav1 "k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1"
	"k8s.io/apimachinery/pkg/labels"
	"k8s.io/apimachinery/pkg/selection"
)

var CLIENT_SET kubernetes.Interface
var ONCE sync.Once

// DoInit Indexer相关的初始化操作，这里确保只执行一次
func DoInit() {
	ONCE.Do(initInKubernetesEnv)
}

// GetClient 调用此方法返回clientSet对象
func GetClient() kubernetes.Interface {
	return CLIENT_SET
}

// SetClient 可以通过initInKubernetesEnv在kubernetes初始化，如果有准备好的clientSet，也可以调用SetClient直接设置，而无需初始化
func SetClient(clientSet kubernetes.Interface) {
	CLIENT_SET = clientSet
}

// initInKubernetesEnv 这里是真正的初始化逻辑
func initInKubernetesEnv() {
	log.Println("开始初始化Indexer")

	var kubeconfig *string

	// 试图取到当前账号的家目录
	if home := homedir.HomeDir(); home != "" {
		// 如果能取到，就把家目录下的.kube/config作为默认配置文件
		kubeconfig = flag.String("kubeconfig", filepath.Join(home, ".kube", "config"), "(optional) absolute path to the kubeconfig file")
	} else {
		// 如果取不到，就没有默认配置文件，必须通过kubeconfig参数来指定
		kubeconfig = flag.String("kubeconfig", "", "absolute path to the kubeconfig file")
	}

	// 加载配置文件
	config, err := clientcmd.BuildConfigFromFlags("", *kubeconfig)
	if err != nil {
		panic(err.Error())
	}

	// 用clientset类来执行后续的查询操作
	CLIENT_SET, err = kubernetes.NewForConfig(config)
	if err != nil {
		panic(err.Error())
	}

	log.Println("kubernetes服务初始化成功")
}

// QueryPodNameByLabelApp 根据指定的namespace和label值搜索
func QueryPodNameByLabelApp(context context.Context, namespace, app string) ([]string, error) {
	log.Printf("QueryPodNameByLabelApp, namespace [%s], app [%s]", namespace, app)

	equalRequirement, err := labels.NewRequirement("app", selection.Equals, []string{app})

	if err != nil {
		return nil, err
	}

	selector := labels.NewSelector().Add(*equalRequirement)

	// 查询pod列表
	pods, err := CLIENT_SET.
		CoreV1().
		Pods(namespace).
		List(context, metav1.ListOptions{
			// 传入的selector在这里用到
			LabelSelector: selector.String(),
		})

	if err != nil {
		return nil, err
	}

	names := make([]string, 0)

	for _, v := range pods.Items {
		names = append(names, v.GetName())
	}

	return names, nil
}

// CreateNamespace 单元测试的辅助工具，用于创建namespace
func CreateNamespace(context context.Context, client kubernetes.Interface, name string) error {
	namespaceObj := &v1.Namespace{
		ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
			Name: name,
		},
	}

	_, err := client.CoreV1().Namespaces().Create(context, namespaceObj, metav1.CreateOptions{})
	return err
}

// DeleteeNamespace 单元测试的辅助工具，用于创建namespace
func DeleteNamespace(context context.Context, client kubernetes.Interface, name string) error {
	err := client.CoreV1().Namespaces().Delete(context, name, metav1.DeleteOptions{})
	return err
}

/*
// CreateDeployment 单元测试的辅助工具，用于创建namespace
func CreateDeployment(context context.Context, client kubernetes.Interface, namespace, name, image, app string, replicas int32) error {
	_, err := client.AppsV1().Deployments(namespace).Create(context, &apps.Deployment{
		TypeMeta: metav1.TypeMeta{
			Kind:       "Deployment",
			APIVersion: "apps/v1",
		},
		ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
			Name:      name,
			Namespace: namespace,
			Labels: map[string]string{
				"app": app,
			},
		},
		Spec: apps.DeploymentSpec{
			Replicas: &replicas,
			Template: v1.PodTemplateSpec{
				Spec: v1.PodSpec{
					Containers: []v1.Container{
						{
							Image: image,
						},
					},
				},
			},
		},
	}, metav1.CreateOptions{})

	return err

}
*/
  • 上述代码要有以下几处需要注意
  1. 操作kubernetes需要使用Clientset对象，该对象的创建过程集中在initInKubernetesEnv方法中，先加载配置文件，再根据配置文件创建Clientset
  2. CreateNamespace方法的作用是创建namespace，这里面有常规client-go库的使用方法，即Clientset的api的一些操作，以及一些资源对象的初始化
  3. QueryPodNameByLabelApp方法实现了核心业务功能，稍微有点复杂，在查找pod对象的时候，使用label做了一次过滤
  • 接下来是响应web请求的服务类basic_curd.go，代码如下，可见非常简单，就是取请求参数，再调用上面写到的api去kubernetes查询，再返回即可
package handler

import (
	"log"
	"net/http"

	"github.com/gin-gonic/gin"

	kubernetesservice "client-go-unit-tutorials/kubernetes_service"
)

const (
	PARAM_NAMESPACE = "namespace"
	PARAM_APP       = "label_app"
)

func QueryPodsByLabelApp(context *gin.Context) {
	rlt := make(map[string]interface{})
	namespace := context.DefaultQuery(PARAM_NAMESPACE, "")
	app := context.DefaultQuery(PARAM_APP, "")

	log.Printf("query param, namespace [%s], app [%s]", namespace, app)
	names, err := kubernetesservice.QueryPodNameByLabelApp(context, namespace, app)

	if err != nil {
		rlt["message"] = err.Error()
		context.JSON(http.StatusInternalServerError, rlt)
		return
	}

	rlt["message"] = "success"
	rlt["names"] = names
	context.JSON(http.StatusOK, rlt)
}
  • 为了将gin初始化逻辑封装起来好给外部调用，这里创建了/initor/customize_initor.go，内容也很简单，就是gin的路由初始化
package initor

import (
	"github.com/gin-gonic/gin"

	"client-go-unit-tutorials/handler"
)

const (
	PATH_QUERY_PODS_BY_LABEL_APP = "/query_pods_by_label_app"
)

func InitRouter() *gin.Engine {
	r := gin.Default()

	// 绑定path的handler
	r.GET(PATH_QUERY_PODS_BY_LABEL_APP, handler.QueryPodsByLabelApp)

	return r
}
  • 最后是main.go，这里面很简单，主动调用kubernetes和gin的初始化方法
package main

import (
	"client-go-unit-tutorials/initor"
	kubernetesservice "client-go-unit-tutorials/kubernetes_service"
)

func main() {
	// 初始化kubernetes相关配置
	kubernetesservice.DoInit()

	router := initor.InitRouter()
	_ = router.Run(":18080")
}
  • 以上就是完整的代码了，接下来咱们把代码运行起来看看效果

运行代码前的准备工作

  • 首先要在kubernetes环境把deployment部署好，如此调用查询接口才有数据返回
  • 先创建namespace
kubectl create namespace client-go-tutorials
  • 创建名为nginx-deployment-service.yaml的文件，内容如下
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  namespace: client-go-tutorials
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx-app
    type: front-end
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-app
      type: front-end
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-app
        type: front-end
        # 这是第一个业务自定义label，指定了mysql的语言类型是c语言
        language: c
        # 这是第二个业务自定义label，指定了这个pod属于哪一类服务，nginx属于web类
        business-service-type: web
    spec:
      containers:
        - name: nginx-container
          image: nginx:latest
          resources:
            limits:
              cpu: "0.5"
              memory: 128Mi
            requests:
              cpu: "0.1"
              memory: 64Mi
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  namespace: client-go-tutorials
  name: nginx-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx-app
    type: front-end
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      nodePort: 30011
  • 执行以下脚本完成部署
kubectl apply -f nginx-deployment-service.yaml
  • 稍后会创建三个nginx的pod，接下来咱们就要用代码来查询这些pod了
kubectl get pods -n client-go-tutorials
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-deployment-78f6b696d9-j98xj   1/1     Running   0          19h
nginx-deployment-78f6b696d9-wp4qf   1/1     Running   0          7d17h
nginx-deployment-78f6b696d9-wpnt7   1/1     Running   0          20h

运行代码

  • 正常情况下，应该是执行go build编译项目，得到名为client-go-unit-tutorials的可执行文件，部署在可以访问kubernetes的机器上运行
  • 我这边开发机上就部署着kubernetes，因此，只要在vscode上运行项目就行了，运行应用的配置文件launch.json，如下
{
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        
        {
            "name": "Launch Package",
            "type": "go",
            "request": "launch",
            "mode": "auto",
            "program": "${workspaceFolder}"
        }
    ]
}
  • 调用请求的方法很多，postman、curl命令都可以，我这里用的是vscode的REST Client插件，可以把请求以脚本的方式保存下来，脚本如下
### 变量
@namespace=client-go-tutorials
@label_app=nginx-app

### 测试用例，指定namespace和label查询所有的pod名称
GET http://192.168.50.76:18080/query_pods_by_label_app?namespace={{namespace}}&label_app={{label_app}}
  • 点击下图红色箭头所指的Send Request就会发送请求
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP
  • 收到响应如下，可见所有符合要求的pod的name都在响应body中了
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: application/json; charset=utf-8
Date: Sun, 02 Jul 2023 04:58:03 GMT
Content-Length: 139
Connection: close

{
  "message": "success",
  "names": [
    "nginx-deployment-78f6b696d9-j98xj",
    "nginx-deployment-78f6b696d9-wp4qf",
    "nginx-deployment-78f6b696d9-wpnt7"
  ]
}
  • 至此，整篇内容已经完成了二分之一，接下里要看的就是如何编写单元测试代码了，要在一个没有kubernetes的环境下成功运行操作kubernetes的代码

关键知识点：使用client-go库的代码如何写单元测试

  • 如果您只想了解client-go有关的单元测试的关键知识点，对其他内容不感兴趣，下面黄色箭头所指这行代码足够了，在单元测试中使用fake.NewSimpleClientset()创建的clientset，只要运行单元测试时应用代码用到的是这个clientset，就可以和实际kubernetes环境使用clientset一样了，创建的资源也能被查出来
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP
  • 打开上图中的NewSimpleClientset方法，看看它创建的clientset是何方神圣，如下图，这个fake包下面的Clientset，已经把kubernetes.Interface接口完整实现了，在单元测试中可以用来取代正式环境中调用kubernetes.NewForConfig创建的clentset对象
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  • 以上解答了单元测试时如何脱离kubernetes环境使用client-go库的问题，这只是一个技术点而已，接下来咱们把完整的单元测试代码写出来

编码：单元测试

  • 首先是辅助工具，这里面有多个方法，都是辅助单元测试的，例如SingleTest方法可以用来发送请求并将响应返回，Check方法可以检查返回内容等
package unittesthelper

import (
	"context"
	"encoding/json"
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
	"net/http/httptest"

	"github.com/gin-gonic/gin"
	"github.com/stretchr/testify/suite"
	v1 "k8s.io/api/core/v1"
	metav1 "k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1"
	"k8s.io/client-go/kubernetes"
)

const (
	TEST_NAMESPACE       = "client-go-tutorials"
	TEST_POD_NAME_PREFIX = "nginx-pod-"
	TEST_IMAGE           = "nginx:latest"
	TEST_LABEL_APP       = "nginx-app"
	TEST_POD_NUM         = 3
)

// 数据结构，用于保存web响应的body
type ResponseNames struct {
	Message string   `json:"message"`
	Names   []string `json:"names"`
}

// SingleTest 辅助方法，发请求，返回响应
func SingleTest(router *gin.Engine, url string) (int, string, error) {
	log.Printf("start SingleTest, request url : %s", url)
	w := httptest.NewRecorder()
	req, _ := http.NewRequest(http.MethodGet, url, nil)
	router.ServeHTTP(w, req)
	return w.Code, w.Body.String(), nil
}

// 9. 辅助方法，解析web响应，检查结果是否符合预期
func Check(suite *suite.Suite, body string, expectNum int) {
	suite.NotNil(body)
	response := &ResponseNames{}

	err := json.Unmarshal([]byte(body), response)

	if err != nil {
		log.Fatalf("unmarshal response error, %s", err.Error())
	}

	suite.EqualValues(expectNum, len(response.Names))
}

// CreatePodObj 辅助方法，用于创建pod对象
func CreatePodObj(namespace, name, app, image string) *v1.Pod {
	return &v1.Pod{
		TypeMeta: metav1.TypeMeta{
			Kind:       "Deployment",
			APIVersion: "apps/v1",
		},
		ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
			Name:      name,
			Namespace: namespace,
			Labels: map[string]string{
				"app": app,
			},
		},
		Spec: v1.PodSpec{
			Containers: []v1.Container{
				{
					Image: image,
				},
			},
		},
	}
}

// CreateDeployment 单元测试的辅助工具，用于创建namespace
func CreatePods(context context.Context, client kubernetes.Interface, namespace, name, image, app string) error {
	_, err := client.CoreV1().Pods(namespace).Create(context, CreatePodObj(namespace, name, app, image), metav1.CreateOptions{})
	return err
}

// CreatePod 辅助方法，用于创建多个pod
func CreatePod(context context.Context, client kubernetes.Interface, num int) {
	for i := 0; i < num; i++ {
		if err := CreatePods(context,
			client,
			TEST_NAMESPACE,
			fmt.Sprintf("%s%d", TEST_POD_NAME_PREFIX, i),
			TEST_IMAGE,
			TEST_LABEL_APP); err != nil {
			log.Fatalf("create pod [%d] error, %s", i, err.Error())
		}
	}
}
  • 接下来就是完整的单元测试代码，这里面是一个常规的单元测试集的开发，注释中用数字标明了每一步的执行顺序，按部就班完成就好，要注意的是SetupTest方法，里面用mock出来的clientset创建了三个pod，这些pod在查询的时候是可以被查出来的，有了这个mock版的clientset的帮助，就算没有kubernetes环境，咱们的代码照样能正常运行
package handler_test

import (
	"client-go-unit-tutorials/handler"
	"client-go-unit-tutorials/initor"
	kubernetesservice "client-go-unit-tutorials/kubernetes_service"
	"client-go-unit-tutorials/unittesthelper"
	"context"
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
	"testing"

	"github.com/gin-gonic/gin"
	"github.com/stretchr/testify/suite"
	"k8s.io/client-go/kubernetes"
	"k8s.io/client-go/kubernetes/fake"
)

// 1. 定义suite数据结构
type MySuite struct {
	suite.Suite
	ctx       context.Context
	cancel    context.CancelFunc
	clientSet kubernetes.Interface
	router    *gin.Engine
}

// 2. 单元测试的初始化操作
func (mySuite *MySuite) SetupTest() {
	client := fake.NewSimpleClientset()
	kubernetesservice.SetClient(client)

	mySuite.ctx, mySuite.cancel = context.WithCancel(context.Background())
	mySuite.clientSet = client
	mySuite.router = initor.InitRouter()

	// 初始化数据，创建namespace
	if err := kubernetesservice.CreateNamespace(mySuite.ctx, client, unittesthelper.TEST_NAMESPACE); err != nil {
		log.Fatalf("create namespace error, %s", err.Error())
	}

	// 初始化数据，创建pod
	unittesthelper.CreatePod(mySuite.ctx, client, 3)
}

// 3. 定义测试完成后的收尾工作，例如清理一些资源
func (mySuite *MySuite) TearDownTest() {

	// 删除namespace
	if err := kubernetesservice.DeleteNamespace(mySuite.ctx, kubernetesservice.GetClient(), unittesthelper.TEST_NAMESPACE); err != nil {
		log.Fatalf("delete namespace error, %s", err.Error())
	}

	mySuite.cancel()
}

// 4. 启动测试集
func TestBasicCrud(t *testing.T) {
	suite.Run(t, new(MySuite))
}

// 5. 定义测试集
func (mySuite *MySuite) TestBasicCrud() {
	// 5.1 若有需要，执行monkey.Patch
	// 5.2 若执行了monkey.Patch，需要执行defer monkey.UnpatchAll()

	// 5.3 执行单个测试
	// 参考 client-go/examples/fake-client/main_test.go/main_test.go
	mySuite.Run("常规查询", func() {
		url := fmt.Sprintf("%s?%s=%s&%s=%s",
			initor.PATH_QUERY_PODS_BY_LABEL_APP,
			handler.PARAM_NAMESPACE,
			unittesthelper.TEST_NAMESPACE,
			handler.PARAM_APP,
			unittesthelper.TEST_LABEL_APP)

		code, body, error := unittesthelper.SingleTest(mySuite.router, url)

		if error != nil {
			mySuite.Fail("SingleTest error, %v", error)
			return
		}

		// 检查返回码
		mySuite.EqualValues(http.StatusOK, code)

		// 检查结果
		unittesthelper.Check(&mySuite.Suite, body, unittesthelper.TEST_POD_NUM)
	})
}
  • 点击下图黄色箭头所指按钮，即可开始单元测试
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP
  • 得到结果如下，在没有kubernetes环境的情况下，单元测试通过，所有操作kubernetes的代码均能正常运行
=== RUN   TestBasicCrud
=== RUN   TestBasicCrud/TestBasicCrud
[GIN-debug] [WARNING] Creating an Engine instance with the Logger and Recovery middleware already attached.

[GIN-debug] [WARNING] Running in "debug" mode. Switch to "release" mode in production.
 - using env:   export GIN_MODE=release
 - using code:  gin.SetMode(gin.ReleaseMode)

[GIN-debug] GET    /query_pods_by_label_app  --> client-go-unit-tutorials/handler.QueryPodsByLabelApp (3 handlers)
=== RUN   TestBasicCrud/TestBasicCrud/常规查询
2023/07/02 05:17:27 start SingleTest, request url : /query_pods_by_label_app?namespace=client-go-tutorials&label_app=nginx-app
2023/07/02 05:17:27 query param, namespace [client-go-tutorials], app [nginx-app]
2023/07/02 05:17:27 QueryPodNameByLabelApp, namespace [client-go-tutorials], app [nginx-app]
[GIN] 2023/07/02 - 05:17:27 | 200 |     205.281µs |                 | GET      "/query_pods_by_label_app?namespace=client-go-tutorials&label_app=nginx-app"
--- PASS: TestBasicCrud/TestBasicCrud/常规查询 (0.00s)
--- PASS: TestBasicCrud/TestBasicCrud (0.00s)
--- PASS: TestBasicCrud (0.00s)
PASS
ok      client-go-unit-tutorials/handler        0.034s


> Test run finished at 7/2/2023, 1:17:26 PM <
  • 至此，client-go初级篇已经完成，希望能对刚刚涉及kubernetes开发的读者有所帮助

源码下载

  • 如果您不想编写代码，也可以从GitHub上直接下载，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：
  • 这个git项目中有多个文件夹，本篇的源码在tutorials/client-go-unit-tutorials文件夹下，如下图红框所示：
    client-go初级篇，从操作kubernetes到编写单元测试-LMLPHP

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