K8s Scheduler 在调度 pod 过程中遗漏部分节点的问题排查

问题现象

在TKE控制台上新建版本为v1.18.4（详细版本号 < v1.18.4-tke.5）的独立集群，其中，集群的节点信息如下：

有3个master node和1个worker node，并且worker 和 master在不同的可用区。

node	角色	label信息
ss-stg-ma-01	master	label[failure-domain.beta.kubernetes.io/region=sh,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=200002]
ss-stg-ma-02	master	label[failure-domain.beta.kubernetes.io/region=sh,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=200002]
ss-stg-ma-03	master	label[failure-domain.beta.kubernetes.io/region=sh,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=200002]
ss-stg-test-01	worker	label[failure-domain.beta.kubernetes.io/region=sh,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=200004]

待集群创建好之后，再创建出一个daemonset对象，会出现daemonset的某个pod一直卡住pending状态的现象。
现象如下：

$ kubectl  get  pod  -o  wide
NAME        READY STATUS  RESTARTS AGE NODE 
debug-4m8lc 1/1   Running 1        89m  ss-stg-ma-01
debug-dn47c 0/1   Pending 0        89m  <none>
debug-lkmfs 1/1   Running 1        89m   ss-stg-ma-02
debug-qwdbc 1/1   Running 1        89m  ss-stg-test-01

（补充：TKE当前支持的最新版本号为v1.18.4-tke.8，新建集群默认使用最新版本）

问题结论

k8s的调度器在调度某个pod时，会从调度器的内部cache中同步一份快照（snapshot），其中保存了pod可以调度的node信息。
上面问题（daemonset的某个pod实例卡在pending状态）的原因就是同步的过程发生了部分node信息丢失，导致了daemonset的部分pod实例无法调度到指定的节点上，卡在了pending状态。

接下来是详细的排查过程。

日志排查

截图中出现的节点信息（来自客户线上集群）：
k8s master节点：ss-stg-ma-01、ss-stg-ma-02、ss-stg-ma-03
k8s worker节点：ss-stg-test-01

1、获取调度器的日志
这里首先是通过动态调大调度器的日志级别，比如，直接调大到V(10)，尝试获取一些相关日志。
当日志级别调大之后，有抓取到一些关键信息，信息如下：

解释一下，当调度某个pod时，有可能会进入到调度器的抢占preempt环节，而上面的日志就是出自于抢占环节。
集群中有4个节点（3个master node和1个worker node），但是日志中只显示了3个节点，缺少了一个master节点。
所以，这里暂时怀疑下是调度器内部缓存cache中少了node info。

2、获取调度器内部cache信息
k8s v1.18已经支持打印调度器内部的缓存cache信息。打印出来的调度器内部缓存cache信息如下：

可以看出，调度器的内部缓存cache中的node info是完整的（3个master node和1个worker node）。
通过分析日志，可以得到一个初步结论：调度器内部缓存cache中的node info是完整的，但是当调度pod时，缓存cache中又会缺少部分node信息。

问题根因

在进一步分析之前，我们先一起再熟悉下调度器调度pod的流程（部分展示）和nodeTree数据结构。

pod调度流程（部分展示）

结合上图，一次pod的调度过程就是 一次Scheduler Cycle。 在这个Cycle开始时，第一步就是update snapshot。snapshot我们可以理解为cycle内的cache，其中保存了pod调度时所需的node info，而update snapshot，就是一次nodeTree（调度器内部cache中保存的node信息）到snapshot的同步过程。
而同步过程主要是通过nodeTree.next()函数来实现，函数逻辑如下：

// next returns the name of the next node. NodeTree iterates over zones and in each zone iterates
// over nodes in a round robin fashion.
func (nt *nodeTree) next() string {
    if len(nt.zones) == 0 {
        return ""
    }
    numExhaustedZones := 0
    for {
        if nt.zoneIndex >= len(nt.zones) {
            nt.zoneIndex = 0
        }
        zone := nt.zones[nt.zoneIndex]
        nt.zoneIndex++
        // We do not check the exhausted zones before calling next() on the zone. This ensures
        // that if more nodes are added to a zone after it is exhausted, we iterate over the new nodes.
        nodeName, exhausted := nt.tree[zone].next()
        if exhausted {
            numExhaustedZones++
            if numExhaustedZones >= len(nt.zones) { // all zones are exhausted. we should reset.
                nt.resetExhausted()
            }
        } else {
            return nodeName
        }
    }
}

再结合上面排查过程得出的结论，我们可以再进一步缩小问题范围：nodeTree（调度器内部cache）到的同步过程丢失了某个节点信息。

\### nodeTree数据结构
（方便理解，本文使用了链表来展示）

在nodeTree数据结构中，有两个游标zoneIndex 和 lastIndex（zone级别），用来控制 nodeTree（调度器内部cache）到snapshot.nodeInfoList的同步过程。并且，重要的一点是：上次同步后的游标值会被记录下来，用于下次同步过程的初始值。

\### 重现问题，定位根因

创建k8s集群时，会先加入master node，然后再加入worker node（意思是worker node时间上会晚于master node加入集群的时间）。

第一轮同步：3台master node创建好，然后发生pod调度（比如，cni 插件，以daemonset的方式部署在集群中），会触发一次nodeTree（调度器内部cache）到的同步。同步之后，nodeTree的两个游标就变成了如下结果：

nodeTree.zoneIndex = 1,
nodeTree.nodeArray[sh:200002].lastIndex = 3,

第二轮同步：当worker node加入集群中后，然后新建一个daemonset，就会触发第二轮的同步（nodeTree（调度器内部cache）到的同步）。同步过程如下：

1、 zoneIndex=1, nodeArray[sh:200004].lastIndex=0, we get ss-stg-test-01.

2、 zoneIndex=2 >= len(zones); zoneIndex=0, nodeArray[sh:200002].lastIndex=3, return.

3、 zoneIndex=1, nodeArray[sh:200004].lastIndex=1, return.

4、 zoneIndex=0, nodeArray[sh:200002].lastIndex=0, we get ss-stg-ma-01.

5、 zoneIndex=1, nodeArray[sh:200004].lastIndex=0, we get ss-stg-test-01.

6、 zoneIndex=2 >= len(zones); zoneIndex=0, nodeArray[sh:200002].lastIndex=1, we get ss-stg-ma-02.

同步完成之后，调度器的snapshot.nodeInfoList得到如下的结果：

[
    ss-stg-test-01,
    ss-stg-ma-01,
    ss-stg-test-01,
    ss-stg-ma-02,
]

ss-stg-ma-03 去哪了？在第二轮同步的过程中丢了。

解决方案

从问题根因的分析中，可以看出，导致问题发生的原因，在于 nodeTree 数据结构中的游标 zoneIndex 和 lastIndex（zone级别）值被保留了，所以，解决的方案就是在每次同步SYNC时，强制重置游标（归0）。
相关issue：https://github.com/kubernetes...
相关pr(k8s v1.18)： https://github.com/kubernetes...
TKE修复版本：v1.18.4-tke.5

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