K8S - Volume 与 PersistentVolume - 容器存储与数据持久化

一、引言

在 Kubernetes 中，容器默认接纳临时存储（Ephemeral Storage），这意味着 Pod 一旦重启或重建，其内部数据将完全丢失。
然而，在生产情况中，许多关键应用（如数据库、日记系统、内容管理平台）都需要保证数据持久化与高可用性。为此，Kubernetes 提供了以下核心机制：
• Volume：为 Pod 提供临时或持久的存储挂载本领。
• PersistentVolume (PV)：集群级别的存储资源抽象，独立于 Pod 生命周期。
• PersistentVolumeClaim (PVC)：用户对存储资源的声明，可实现动态或静态绑定 PV。
二、核心原理

2.1 Volume：Pod 级别的存储机制
Volume 是 Pod 内部的存储抽象，其生命周期与 Pod 同等。常见类型如下：

范围性：
• 临时性存储无法满意数据持久化需求
• 配置复杂，缺乏资源解耦本领
2.2 PV 与 PVC：存储资源的解耦模型
Kubernetes 通过 PV/PVC 模型实现应用与底层存储的解耦：
PersistentVolume（PV）
• 静态供给：管理员预创建，指定容量、访问模式、类型等
• 动态供给：通过 StorageClass主动按需创建（如 AWS EBS）
关键字段：
• capacity: 存储容量，如 1Gi
• accessModes: 访问模式（ReadWriteOnce、ReadOnlyMany等）
• persistentVolumeReclaimPolicy: 回收计谋（Retain、Delete）
PersistentVolumeClaim（PVC）
• 用户声明对存储的需求，K8s 主动匹配合适的 PV
StorageClass
• 定义动态供给模板（云存储参数、文件系统类型等）
• 实现 PV 的按需主动化创建
模型关系图：

1. # 静态供给流程
2. ┌─────────────┐         绑定           ┌─────────────┐
3. │   PV (预创建)  │ ◄──────────────────── │    PVC      │
4. └──────┬──────┘                      └──────┬──────┘
5.        │                                    │
6.        │              挂载                  │
7.        ▼                                    ▼
8. ┌───────────────────────────────────────────────────┐
9. │                        Pod                        │
10. │          (通过 volumes 字段引用 PVC)                │
11. └───────────────────────────────────────────────────┘

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1. # 动态供给流程
2. ┌─────────────┐         动态创建         ┌─────────────┐
3. │ StorageClass │ ───────────────────────►│     PV      │
4. └───────┬──────┘                         └──────┬──────┘
5.         │          自动触发                       │
6.         ▼                                        ▼
7. ┌─────────────┐         绑定           ┌─────────────┐
8. │    PVC      │ ◄────────────────────── │    Pod     │
9. └─────────────┘         挂载            └─────────────┘

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2.3 核心参数详解
Access Modes（访问模式）
• ReadWriteOnce (RWO)：单节点读写（如云硬盘）
• ReadOnlyMany (ROX)：多节点只读
• ReadWriteMany (RWX)：多节点读写（需 NFS 或分布式存储支持）
Reclaim Policy（回收计谋）
• Retain：PVC 删除后保留数据（需手动清理）
• Delete：PVC 删除后主动烧毁数据（云平台默认）
• Recycle（已废弃）：清空数据再重用（不保举）
三、实战演示：MySQL 数据持久化

3.1 情况准备（以 Minikube 为例）

1. # 安装工具
2. brew install kubectl minikube
4. # 启动集群
5. minikube start --driver=docker

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3.2 创建 PersistentVolume（静态供给）
步调 1：定义 PV（测试用 hostPath）

1. mysql-pv.yaml：
3. apiVersion: v1
4. kind: PersistentVolume                  # 资源类型
5. metadata:
6.   name: mysql-pv                        # PV名称，集群内唯一标识
7. spec:
8.   capacity:
9.     storage: 1Gi                        # 存储容量（GiB单位）
10.   accessModes:
11.     - ReadWriteOnce                     # 访问模式：单节点读写挂载
12.   persistentVolumeReclaimPolicy: Retain # 回收策略：删除PVC后保留数据（需手动清理）
13.   hostPath:
14.     path: /data/mysql                   # 节点本地存储路径（仅适合单节点测试环境）

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注：ReadWriteOnce 表示同时只能被一个 Pod 挂载
步调 2：摆设并查看状态

1. kubectl apply -f mysql-pv.yaml
2. kubectl get pv   # 状态应为 Available
3. 输出：
6. NAME       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
7. mysql-pv   1Gi        RWO            Retain           Available                                   5s
9. # 注意 STATUS 应为 Available

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3.3 创建 PersistentVolumeClaim
步调 1：定义 PVC

1. mysql-pvc.yaml：
3. apiVersion: v1
4. kind: PersistentVolumeClaim
5. metadata:
6.   name: mysql-pvc
7. spec:
8.   accessModes:
9.     - ReadWriteOnce
10.   resources:
11.     requests:
12.       storage: 1Gi

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步调 2：摆设并绑定 PV

1. kubectl apply -f mysql-pvc.yaml
2. kubectl get pvc   # 应为 Bound
3. kubectl get pv    # 状态变为 Bound
4. 输出：
6. # 部署 PVC 后查看绑定状态
7. $ kubectl get pvc
8. NAME        STATUS   VOLUME     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
9. mysql-pvc   Bound    mysql-pv   1Gi        RWO                           10s
11. $ kubectl get pv  # PV 状态变化
12. NAME       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM               AGE
13. mysql-pv   1Gi        RWO            Retain           Bound    default/mysql-pvc   2m

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3.4 摆设 MySQL 并挂载 PVC
步调 1：定义 Deployment

1. mysql-deployment.yaml：
3. apiVersion: apps/v1
4. kind: Deployment                       
5. metadata:
6.   name: mysql                        
7. spec:
8.   selector:
9.     matchLabels:
10.       app: mysql                     
11.   template:
12.     metadata:
13.       labels:
14.         app: mysql                  
15.     spec:
16.       containers:
17.         - name: mysql
18.           image: mysql:8.0            # 使用官方MySQL 8.0镜像
19.           env:
20.             - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
21.               value: "password"        # 明文密码（生产环境应用Secret替代）
22.           ports:
23.             - containerPort: 3306      # 暴露MySQL默认端口
24.           volumeMounts:
25.             - name: mysql-storage
26.               mountPath: /var/lib/mysql # 挂载数据库存储路径（数据持久化）
27.       volumes:
28.         - name: mysql-storage
29.           persistentVolumeClaim:
30.             claimName: mysql-pvc        # 绑定预先创建的PVC（需确保存在）

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步调 2：摆设并查看 Pod

1. kubectl apply -f mysql-deployment.yaml
2. kubectl get pods -l app=mysql
3. 输出：
5. # 查看 Pod 启动过程（展示完整生命周期）
6. $ kubectl get pods -l app=mysql --watch
7. NAME                    READY   STATUS              RESTARTS   AGE
8. mysql-8c6b66d88-7w2vs   0/1     ContainerCreating   0          10s
9. mysql-8c6b66d88-7w2vs   1/1     Running             0          25s  # 最终状态

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3.5 数据持久化验证
步调 1：写入测试数据

1. kubectl exec -it $(kubectl get pod -l app=mysql -o jsonpath="{.items[0].metadata.name}") -- \
2.   mysql -uroot -ppassword -e "CREATE DATABASE test;"

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步调 2：模拟 Pod 故障并验证数据

1. kubectl delete pod -l app=mysql
2. kubectl get pods -l app=mysql   # 等待新 Pod 启动
4. # 验证是否存在 test 数据库
5. kubectl exec -it $(kubectl get pod -l app=mysql -o jsonpath="{.items[0].metadata.name}") -- \
6.   mysql -uroot -ppassword -e "SHOW DATABASES;"
7. 预期结果：应包含 test数据库，验证数据持久化成功。
9. # 写入测试数据后检查（显示完整输出）
10. $ kubectl exec -it mysql-8c6b66d88-7w2vs -- mysql -uroot -ppassword -e "SHOW DATABASES;"
11. +--------------------+
12. | Database           |
13. +--------------------+
14. | information_schema |
15. | mysql              |
16. | performance_schema |
17. | sys                |
18. | test               |  # 新增的测试数据库
19. +--------------------+
21. # 删除 Pod 后观察新实例
22. $ kubectl delete pod mysql-8c6b66d88-7w2vs
23. pod "mysql-8c6b66d88-7w2vs" deleted
25. $ kubectl get pods -l app=mysql
26. NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
27. mysql-8c6b66d88-kk9xp   1/1     Running   0          45s  # 新 Pod
29. # 二次验证数据
30. $ kubectl exec -it $(kubectl get pod -l app=mysql -o name) -- mysql -uroot -ppassword -e "SHOW DATABASES;"
31. # 若出现错误"Error from server (NotFound): pods not found"，说明 Pod 尚未完全启动

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四、生产情况最佳实践

StorageClass 示例（AWS EBS）

1. apiVersion: storage.k8s.io/v1
2. kind: StorageClass
3. metadata:
4.   name: ebs-gp3
5. provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
6. parameters:
7.   type: gp3                      # 通用型 SSD
8.   fsType: ext4                   # 文件系统类型
9.   iops: "3000"                   # 性能配置（可选）
10.   encrypted: "true"              # 启用加密

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生产情况必须项：

• 使用 CSI 驱动步伐（非树内驱动）
  
• 启用存储加密（AWS KMS）
  
• 设置公道容量阈值（克制资源浪费）
  

五、总结

5.1 核心重点
• Volume：实用于 Pod 内部共享临时数据，但无法跨生命周期持久化。
• PV/PVC 模型：解耦存储供应与消费，支持动态供给与多类型后端存储。
• 核心选型发起：
• 根据业务需要选择 accessModes与 reclaimPolicy
• 生产情况优先使用动态供给 + 云存储方案
5.2 常见问题排查表

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