不過，我相信你在學習和使用 Kubernetes 項目的過程中，已經不止一次地想要問這樣一個問題：為什么我們會需要 Pod？
是啊，我們在前面已經花了很多精力去解讀 Linux 容器的原理、分析了 Docker 容器的本質，終於，“Namespace 做隔離，Cgroups 做限制，rootfs 做文件系統”這樣的“三句箴言”可以朗朗上口了，為什么 Kubernetes 項目又突然搞出一個 Pod 來呢？
要回答這個問題，我們還是要一起回憶一下我曾經反復強調的一個問題：容器的本質到底是什么？
你現在應該可以不假思索地回答出來：容器的本質是進程。
沒錯。容器，就是未來雲計算系統中的進程；容器鏡像就是這個系統里的“.exe”安裝包。那么 Kubernetes 呢？ 你應該也能立刻回答上來：Kubernetes 就是操作系統！ 非常正確。 現在，就讓我們登錄到一台 Linux 機器里，執行一條如下所示的命令：
pstree -g
這條命令的作用，是展示當前系統中正在運行的進程的樹狀結構。它的返回結果如下所示：
systemd(1)-+-accounts-daemon(1984)-+-{gdbus}(1984)
| `-{gmain}(1984)
|-acpid(2044)
...
|-lxcfs(1936)-+-{lxcfs}(1936)
| `-{lxcfs}(1936)
|-mdadm(2135)
|-ntpd(2358)
|-polkitd(2128)-+-{gdbus}(2128)
| `-{gmain}(2128)
|-rsyslogd(1632)-+-{in:imklog}(1632)
| |-{in:imuxsock) S 1(1632)
| `-{rs:main Q:Reg}(1632)
|-snapd(1942)-+-{snapd}(1942)
| |-{snapd}(1942)
| |-{snapd}(1942)
| |-{snapd}(1942)
| |-{snapd}(1942)
不難發現，在一個真正的操作系統里，進程並不是“孤苦伶仃”地獨自運行的，而是以進程組的方式，“有原則地”組織在一起。比如，這里有一個叫作 rsyslogd 的程序，它負責的是 Linux 操作系統里的日志處理。可以看到，rsyslogd 的主程序 main，和它要用到的內核日志模塊 imklog 等，同屬於 1632 進程組。這些進程相互協作，共同完成 rsyslogd 程序的職責。
注意：我在本篇中提到的“進程”，比如，rsyslogd 對應的 imklog，imuxsock 和 main，嚴格意義上來說，其實是 Linux 操作系統語境下的“線程”。這些線程，或者說，輕量級進程之間，可以共享文件、信號、數據內存、甚至部分代碼，從而緊密協作共同完成一個程序的職責。所以同理，我提到的“進程組”，對應的也是 Linux 操作系統語境下的“線程組”。這種命名關系與實際情況的不一致，是 Linux 發展歷史中的一個遺留問題。
項目所做的，其實就是將“進程組”的概念映射到了容器技術中，並使其成為了這個雲計算“操作系統”里的“一等公民”。
Kubernetes 項目之所以要這么做的原因，我在前面介紹 Kubernetes 和 Borg 的關系時曾經提到過：在 Borg 項目的開發和實踐過程中，Google 公司的工程師們發現，他們部署的應用，往往都存在着類似於“進程和進程組”的關系。更具體地說，就是這些應用之間有着密切的協作關系，使得它們必須部署在同一台機器上。
而如果事先沒有“組”的概念，像這樣的運維關系就會非常難以處理。
我還是以前面的 rsyslogd 為例子。已知 rsyslogd 由三個進程組成：一個 imklog 模塊，一個 imuxsock 模塊，一個 rsyslogd 自己的 main 函數主進程。這三個進程一定要運行在同一台機器上，否則，它們之間基於 Socket 的通信和文件交換，都會出現問題。
現在，我要把 rsyslogd 這個應用給容器化，由於受限於容器的“單進程模型”，這三個模塊必須被分別制作成三個不同的容器。而在這三個容器運行的時候，它們設置的內存配額都是 1 GB。
再次強調一下：容器的“單進程模型”，並不是指容器里只能運行“一個”進程，而是指容器沒有管理多個進程的能力。這是因為容器里 PID=1 的進程就是應用本身，其他的進程都是這個 PID=1 進程的子進程。可是，用戶編寫的應用，並不能夠像正常操作系統里的 init 進程或者 systemd 那樣擁有進程管理的功能。比如，你的應用是一個 Java Web 程序（PID=1），然后你執行 docker exec 在后台啟動了一個 Nginx 進程（PID=3）。可是，當這個 Nginx 進程異常退出的時候，你該怎么知道呢？這個進程退出后的垃圾收集工作，又應該由誰去做呢？
假設我們的 Kubernetes 集群上有兩個節點：node-1 上有 3 GB 可用內存，node-2 有 2.5 GB 可用內存。
這時，假設我要用 Docker Swarm 來運行這個 rsyslogd 程序。為了能夠讓這三個容器都運行在同一台機器上，我就必須在另外兩個容器上設置一個 affinity=main（與 main 容器有親密性）的約束，即：它們倆必須和 main 容器運行在同一台機器上。
然后，我順序執行：“docker run main”“docker run imklog”和“docker run imuxsock”，創建這三個容器。
這樣，這三個容器都會進入 Swarm 的待調度隊列。然后，main 容器和 imklog 容器都先后出隊並被調度到了 node-2 上（這個情況是完全有可能的）。
可是，當 imuxsock 容器出隊開始被調度時，Swarm 就有點懵了：node-2 上的可用資源只有 0.5 GB 了，並不足以運行 imuxsock 容器；可是，根據 affinity=main 的約束，imuxsock 容器又只能運行在 node-2 上。
這就是一個典型的成組調度（gang scheduling）沒有被妥善處理的例子。
在工業界和學術界，關於這個問題的討論可謂曠日持久，也產生了很多可供選擇的解決方案。 比如，Mesos 中就有一個資源囤積（resource hoarding）的機制，會在所有設置了 Affinity 約束的任務都達到時，才開始對它們統一進行調度。而在 Google Omega 論文中，則提出了使用樂觀調度處理沖突的方法，即：先不管這些沖突，而是通過精心設計的回滾機制在出現了沖突之后解決問題。
可是這些方法都談不上完美。資源囤積帶來了不可避免的調度效率損失和死鎖的可能性；而樂觀調度的復雜程度，則不是常規技術團隊所能駕馭的。
但是，到了 Kubernetes 項目里，這樣的問題就迎刃而解了：Pod 是 Kubernetes 里的原子調度單位。這就意味着，Kubernetes 項目的調度器，是統一按照 Pod 而非容器的資源需求進行計算的。
所以，像 imklog、imuxsock 和 main 函數主進程這樣的三個容器，正是一個典型的由三個容器組成的 Pod。Kubernetes 項目在調度時，自然就會去選擇可用內存等於 3 GB 的 node-1 節點進行綁定，而根本不會考慮 node-2。
像這樣容器間的緊密協作，我們可以稱為“超親密關系”。這些具有“超親密關系”容器的典型特征包括但不限於：互相之間會發生直接的文件交換、使用 localhost 或者 Socket 文件進行本地通信、會發生非常頻繁的遠程調用、需要共享某些 Linux Namespace（比如，一個容器要加入另一個容器的 Network Namespace）等等。
這也就意味着，並不是所有有“關系”的容器都屬於同一個 Pod。比如，PHP 應用容器和 MySQL 雖然會發生訪問關系，但並沒有必要、也不應該部署在同一台機器上，它們更適合做成兩個 Pod。
不過，相信此時你可能會有第二個疑問： 對於初學者來說，一般都是先學會了用 Docker 這種單容器的工具，才會開始接觸 Pod。
而如果 Pod 的設計只是出於調度上的考慮，那么 Kubernetes 項目似乎完全沒有必要非得把 Pod 作為“一等公民”吧？這不是故意增加用戶的學習門檻嗎？
沒錯，如果只是處理“超親密關系”這樣的調度問題，有 Borg 和 Omega 論文珠玉在前，Kubernetes 項目肯定可以在調度器層面給它解決掉。
不過，Pod 在 Kubernetes 項目里還有更重要的意義，那就是：容器設計模式。
為了理解這一層含義，我就必須先給你介紹一下Pod+的實現原理。
首先，關於 Pod 最重要的一個事實是：它只是一個邏輯概念。 也就是說，Kubernetes 真正處理的，還是宿主機操作系統上 Linux 容器的 Namespace 和 Cgroups，而並不存在一個所謂的 Pod 的邊界或者隔離環境。
那么，Pod 又是怎么被“創建”出來的呢？
答案是：Pod，其實是一組共享了某些資源的容器。 具體的說：Pod 里的所有容器，共享的是同一個 Network Namespace，並且可以聲明共享同一個 Volume。 那這么來看的話，一個有 A、B 兩個容器的 Pod，不就是等同於一個容器（容器 A）共享另外一個容器（容器 B）的網絡和 Volume 的玩兒法么？
這好像通過 docker run --net --volumes-from 這樣的命令就能實現嘛，比如：
docker run --net=B --volumes-from=B --name=A image-A ...
但是，你有沒有考慮過，如果真這樣做的話，容器 B 就必須比容器 A 先啟動，這樣一個 Pod 里的多個容器就不是對等關系，而是拓撲關系了。
所以，在 Kubernetes 項目里，Pod 的實現需要使用一個中間容器，這個容器叫作 Infra 容器。在這個 Pod 中，Infra 容器永遠都是第一個被創建的容器，而其他用戶定義的容器，則通過 Join Network Namespace 的方式，與 Infra 容器關聯在一起。這樣的組織關系，可以用下面這樣一個示意圖來表達：
如上圖所示，這個 Pod 里有兩個用戶容器 A 和 B，還有一個 Infra 容器。很容易理解，在 Kubernetes 項目里，Infra 容器一定要占用極少的資源，所以它使用的是一個非常特殊的鏡像，叫作：k8s.gcr.io/pause。這個鏡像是一個用匯編語言編寫的、永遠處於“暫停”狀態的容器，解壓后的大小也只有 100~200 KB 左右。
而在 Infra 容器“Hold 住”Network Namespace 后，用戶容器就可以加入到 Infra 容器的 Network Namespace 當中了。所以，如果你查看這些容器在宿主機上的 Namespace 文件（這個 Namespace+文件的路徑，我已經在前面的內容中介紹過），它們指向的值一定是完全一樣的。 這也就意味着，對於 Pod 里的容器 A 和容器 B 來說：
- 它們可以直接使用 localhost 進行通信；
- 它們看到的網絡設備跟 Infra 容器看到的完全一樣；
- 一個 Pod 只有一個 IP 地址，也就是這個 Pod 的 Network Namespace 對應的 IP 地址；
- 當然，其他的所有網絡資源，都是一個 Pod 一份，並且被該 Pod 中的所有容器共享；
- Pod 的生命周期只跟 Infra 容器一致，而與容器 A 和 B 無關。
而對於同一個 Pod 里面的所有用戶容器來說，它們的進出流量，也可以認為都是通過 Infra 容器完成的。這一點很重要，因為將來如果你要為 Kubernetes 開發一個網絡插件時，應該重點考慮的是如何配置這個 Pod 的 Network Namespace，而不是每一個用戶容器如何使用你的網絡配置，這是沒有意義的。
這就意味着，如果你的網絡插件需要在容器里安裝某些包或者配置才能完成的話，是不可取的：Infra 容器鏡像的 rootfs 里幾乎什么都沒有，沒有你隨意發揮的空間。當然，這同時也意味着你的網絡插件完全不必關心用戶容器的啟動與否，而只需要關注如何配置 Pod，也就是 Infra 容器的 Network Namespace 即可。 有了這個設計之后，共享 Volume 就簡單多了：Kubernetes 項目只要把所有 Volume 的定義都設計在 Pod 層級即可。
這樣，一個 Volume 對應的宿主機目錄對於 Pod 來說就只有一個，Pod 里的容器只要聲明掛載這個 Volume，就一定可以共享這個 Volume 對應的宿主機目錄。比如下面這個例子
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: two-containers
spec:
restartPolicy: Never
volumes:
- name: shared-data
hostPath:
path: /data
containers:
- name: nginx-container
image: nginx
volumeMounts:
- name: shared-data
mountPath: /usr/share/nginx/html
- name: debian-container
image: debian
volumeMounts:
- name: shared-data
mountPath: /pod-data
command: ["/bin/sh"]
args: ["-c", "echo Hello from the debian container > /pod-data/index.html"]
在這個例子中，debian-container 和 nginx-container 都聲明掛載了 shared-data 這個 Volume。而 shared-data 是 hostPath 類型。所以，它對應在宿主機上的目錄就是：/data。而這個目錄，其實就被同時綁定掛載進了上述兩個容器當中。
這就是為什么，nginx-container 可以從它的/usr/share/nginx/html 目錄中，讀取到 debian-container 生成的 index.html 文件的原因。
明白了 Pod 的實現原理后，我們再來討論“容器設計模式”，就容易多了。 Pod 這種“超親密關系”容器的設計思想，實際上就是希望，當用戶想在一個容器里跑多個功能並不相關的應用時，應該優先考慮它們是不是更應該被描述成一個 Pod 里的多個容器。為了能夠掌握這種思考方式，你就應該盡量嘗試使用它來描述一些用單個容器難以解決的問題。
第一個最典型的例子是：WAR 包與 Web 服務器。
我們現在有一個 Java Web 應用的 WAR 包，它需要被放在 Tomcat 的 webapps 目錄下運行起來。
假如，你現在只能用 Docker 來做這件事情，那該如何處理這個組合關系呢？
一種方法是，把 WAR 包直接放在 Tomcat 鏡像的 webapps 目錄下，做成一個新的鏡像運行起來。可是，這時候，如果你要更新 WAR 包的內容，或者要升級 Tomcat 鏡像，就要重新制作一個新的發布鏡像，非常麻煩。
另一種方法是，你壓根兒不管 WAR 包，永遠只發布一個 Tomcat 容器。不過，這個容器的 webapps 目錄，就必須聲明一個 hostPath 類型的 Volume，從而把宿主機上的 WAR 包掛載進 Tomcat 容器當中運行起來。不過，這樣你就必須要解決一個問題，即：如何讓每一台宿主機，都預先准備好這個存儲有 WAR 包的目錄呢？這樣來看，你只能獨立維護一套分布式存儲系統了。
實際上，有了 Pod 之后，這樣的問題就很容易解決了。我們可以把 WAR 包和 Tomcat 分別做成鏡像，然后把它們作為一個 Pod 里的兩個容器“組合”在一起。這個 Pod 的配置文件如下所示：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: javaweb-2
spec:
initContainers:
- image: geektime/sample:v2
name: war
command: ["cp", "/sample.war", "/app"]
volumeMounts:
- mountPath: /app
name: app-volume
containers:
- image: geektime/tomcat:7.0
name: tomcat
command: ["sh","-c","/root/apache-tomcat-7.0.42-v2/bin/start.sh"]
volumeMounts:
- mountPath: /root/apache-tomcat-7.0.42-v2/webapps
name: app-volume
ports:
- containerPort: 8080
hostPort: 8001
volumes:
- name: app-volume
emptyDir: {}
在這個 Pod 中，我們定義了兩個容器，第一個容器使用的鏡像是 geektim/sample:v2，這個鏡像里只有一個 WAR 包（sample.war）放在根目錄下。而第二個容器則使用的是一個標准的 Tomcat 鏡像。
不過，你可能已經注意到，WAR 包容器的類型不再是一個普通容器，而是一個 Init Container 類型的容器。 在 Pod 中，所有 Init Container 定義的容器，都會比 spec.containers 定義的用戶容器先啟動。並且，Init Container 容器會按順序逐一啟動，而直到它們都啟動並且退出了，用戶容器才會啟動。
所以，這個 Init Container 類型的 WAR 包容器啟動后，我執行了一句"cp /sample.war /app"，把應用的 WAR 包拷貝到 /app 目錄下，然后退出。
而后這個 /app 目錄，就掛載了一個名叫 app-volume 的 Volume。
接下來就很關鍵了。Tomcat 容器，同樣聲明了掛載 app-volume 到自己的 webapps 目錄下。
所以，等 Tomcat 容器啟動時，它的 webapps 目錄下就一定會存在 sample.war 文件：這個文件正是 WAR 包容器啟動時拷貝到這個 Volume 里面的，而這個 Volume 是被這兩個容器共享的。
像這樣，我們就用一種“組合”方式，解決了 WAR 包與 Tomcat 容器之間耦合關系的問題。
實際上，這個所謂的“組合”操作，正是容器設計模式里最常用的一種模式，它的名字叫：sidecar。
顧名思義，sidecar 指的就是我們可以在一個 Pod 中，啟動一個輔助容器，來完成一些獨立於主進程（主容器）之外的工作。
比如，在我們的這個應用 Pod 中，Tomcat 容器是我們要使用的主容器，而 WAR 包容器的存在，只是為了給它提供一個 WAR 包而已。所以，我們用 Init Container 的方式優先運行 WAR 包容器，扮演了一個 sidecar 的角色。
第二個例子，則是容器的日志收集
比如，我現在有一個應用，需要不斷地把日志文件輸出到容器的 /var/log 目錄中。
這時，我就可以把一個 Pod 里的 Volume 掛載到應用容器的 /var/log 目錄上。 然后，我在這個 Pod 里同時運行一個 sidecar 容器，它也聲明掛載同一個 Volume 到自己的 /var/log 目錄上。
這樣，接下來 sidecar 容器就只需要做一件事兒，那就是不斷地從自己的 /var/log 目錄里讀取日志文件，轉發到 MongoDB 或者 Elasticsearch 中存儲起來。這樣，一個最基本的日志收集工作就完成了。 跟第一個例子一樣，這個例子中的 sidecar 的主要工作也是使用共享的 Volume 來完成對文件的操作。
但不要忘記，Pod 的另一個重要特性是，它的所有容器都共享同一個 Network Namespace。這就使得很多與 Pod 網絡相關的配置和管理，也都可以交給 sidecar 完成，而完全無須干涉用戶容器。這里最典型的例子莫過於 Istio 這個微服務治理項目了。 Istio 項目使用 sidecar 容器完成微服務治理的原理，我在后面很快會講解到。
備忘
Pod，實際上是在扮演傳統基礎設施里“虛擬機”的角色；而容器，則是這個虛擬機里運行的用戶程序。
k8s.gcr.io/pause 的存在使得一個pod中的所有鏡像可以：
- 它們可以直接使用 localhost 進行通信；
- 它們看到的網絡設備跟 Infra 容器看到的完全一樣；
- 一個 Pod 只有一個 IP 地址，也就是這個 Pod 的 Network Namespace 對應的 IP 地址；
- 當然，其他的所有網絡資源，都是一個 Pod 一份，並且被該 Pod 中的所有容器共享；
- Pod 的生命周期只跟 Infra 容器一致，而與容器 A 和 B 無關。