动手练习 Helm

在上一篇文章中，介绍了 K8s 的基本使用。本文中会介绍 Helm 的作用和基本使用。

在使用 Kubernetes 时，通常需要通过 kubectl apply -f 命令逐个创建资源。如果切换到另一个 namespace，或者部署到另一套 Kubernetes 集群时，往往需要重复这些操作。

Helm 的出现正是为了解决这个问题。它帮助我们在 Kubernetes 中部署服务时，只需一个命令即可完成整个过程。Helm 是管理 Kubernetes 应用的最佳工具，能够查找、分享和使用软件构建 Kubernetes 应用。其主要特点包括：

• 复杂性管理：即使是最复杂的应用，Helm Chart 也可以完整描述，并提供可重复安装的单点授权应用程序。
• 易于升级：随时随地的升级和自定义钩子使得升级变得简单而高效。
• 简单分发：Helm Chart 可以轻松发布在公共或私有服务器上，便于分发和部署。
• 轻松回滚：使用 helm rollback 命令，可以轻松回滚到之前的发布版本。

有关安装方法，可以参考官网教程。

创建 Helm Chart

本地创建 Chart

下面介绍如何创建自己的 Helm Chart，我们将通过创建一个 hello-helm Chart 来部署 Kubernetes 资源。

首先，建议使用 helm create 命令来生成一个初始的 Chart，这个命令会自动生成一些 Kubernetes 资源定义的初始文件，并按照官方推荐的目录结构组织文件，如下所示：

helm create hello-helm

生成的目录结构如下：

.
└── hello-helm
    ├── Chart.yaml
    ├── charts
    ├── templates
    │   ├── NOTES.txt
    │   ├── _helpers.tpl
    │   ├── deployment.yaml
    │   ├── hpa.yaml
    │   ├── ingress.yaml
    │   ├── service.yaml
    │   ├── serviceaccount.yaml
    │   └── tests
    │       └── test-connection.yaml
    └── values.yaml

我们将 templates 目录下默认生成的 yaml 文件删除，并替换为之前教程中创建的 yaml 文件。最终的结构如下：

.
├── hello-helm
│   ├── Chart.yaml
│   ├── charts
│   ├── templates
│   │   ├── hellok8s-configmaps.yaml
│   │   ├── hellok8s-deployment.yaml
│   │   ├── hellok8s-secret.yaml
│   │   ├── hellok8s-service.yaml
│   │   ├── ingress.yaml
│   │   ├── nginx-deployment.yaml
│   │   └── nginx-service.yaml
│   ├── values-dev.yaml
│   └── values.yaml
└── image
    ├── HelloKubernetes.java
    └── dockerfile

image 文件夹中包含用于构建镜像的内容，其中 HelloKubernetes.java 定义了 hellok8s:v6 版本的代码，主要是从系统环境中获取 MESSAGE、NAMESPACE、DB_URL、DB_PASSWORD 这几个环境变量，并将它们拼接成字符串返回。这些环境变量的来源会通过 helm values 和 Kubernetes 配置来设置。

import com.sun.net.httpserver.HttpServer;
import com.sun.net.httpserver.HttpHandler;
import com.sun.net.httpserver.HttpExchange;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;

public class HelloKubernetes {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        final String[] hostHolder = new String[1];
        try {
            hostHolder[0] = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
            hostHolder[0] = "unknown";
        }

        // 获取环境变量
        String message = System.getenv("MESSAGE");
        String namespace = System.getenv("NAMESPACE");
        String dbURL = System.getenv("DB_URL");
        String dbPassword = System.getenv("DB_PASSWORD");

        // 创建一个 HttpServer 实例，监听端口 3000
        HttpServer server = HttpServer.create(new InetSocketAddress(3000), 0);

        server.createContext("/", new HttpHandler() {
            @Override
            public void handle(HttpExchange exchange) throws IOException {
                String response = String.format(
                    "[v6] Hello, Helm! Message from helm values: %s, From namespace: %s, From host: %s, Get Database Connect URL: %s, Database Connect Password: %s",
                    message, namespace, hostHolder[0], dbURL, dbPassword
                );
                exchange.sendResponseHeaders(200, response.getBytes().length);
                OutputStream os = exchange.getResponseBody();
                os.write(response.getBytes());
                os.close();
            }
        });

        server.setExecutor(null); // 使用默认的执行器
        server.start();
    }
}

下面是 Dockerfile 的内容：

# 使用 OpenJDK 8 的 Alpine 作为构建阶段的基础镜像
FROM openjdk:8-jdk-alpine AS builder

# 创建工作目录 /src
WORKDIR /src

# 将当前目录下的所有文件复制到容器的 /src 目录中
COPY . .

# 编译 Java 源代码
RUN javac HelloKubernetes.java

# 使用 distroless 作为运行阶段的基础镜像，以提高安全性和减小镜像大小
FROM gcr.io/distroless/java-debian10

# 设置工作目录为根目录
WORKDIR /

# 从构建阶段复制所有编译好的字节码文件到运行阶段镜像中
COPY --from=builder /src/ /app/

# 设置类路径，并运行应用程序
ENTRYPOINT ["java", "-cp", "/app", "HelloKubernetes"]

# 暴露应用程序监听的端口
EXPOSE 3000

进入 image 文件夹，进行镜像的构建。注意，将 tangrl177 替换为你自己的 DockerHub 账号名。

docker build . -t tangrl177/hellok8s:v6
docker push tangrl177/hellok8s:v6

接下来，我们修改根目录下的 values.yaml 文件，用于定义自定义的配置信息。将 Kubernetes 资源文件中容易变化的参数提取出来，放在 values.yaml 文件中。注意，将 tangrl177 替换为你自己的 DockerHub 账号名。完整的 values.yaml 配置信息如下：

application:
  name: hellok8s
  hellok8s:
    image: tangrl177/hellok8s:v6
    replicas: 3
    message: "It works with Helm Values[v6]!"
    database:
      url: "http://DB_ADDRESS_DEFAULT"
      password: "db_password"
  nginx:
    image: nginx
    replicas: 2

在 Helm 中，默认使用 Go template 语法来引用这些值。例如，我们可以将 ConfigMap 资源定义成如下的 hellok8s-configmaps.yaml 文件，其中 metadata.name 的值使用 {{ .Values.application.name }}-config，会从 values.yaml 中获取 application.name 的值 hellok8s，并拼接 -config，生成的 ConfigMap 名称就是 hellok8s-config。

# hellok8s-configmaps.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: {{ .Values.application.name }}-config
data:
  DB_URL: {{ .Values.application.hellok8s.database.url }}

同理，可以将 Secret 资源定义成如下的 hellok8s-secret.yaml 文件，并使用 b64enc 方法将值进行 Base64 编码：

# hellok8s-secret.yaml
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: {{ .Values.application.name }}-secret
data:
  DB_PASSWORD: {{ .Values.application.hellok8s.database.password | b64enc }}

最后，修改 hellok8s-deployment.yaml 文件，将所有变量引用改为从 values.yaml 文件中获取，并添加代码中需要的 NAMESPACE 环境变量，使用 Helm 内置的 .Release.Namespace 对象获取当前命名空间：

# hellok8s-deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: {{ .Values.application.name }}-deployment
spec:
  replicas: {{ .Values.application.hellok8s.replicas }}
  selector:
    matchLabels:
      app: hellok8s
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hellok8s
    spec:
      containers:
        - image: {{ .Values.application.hellok8s.image }}
          name: hellok8s-container
          env:
            - name: DB_URL
              valueFrom:
                configMapKeyRef:
                  name: {{ .Values.application.name }}-config
                  key: DB_URL
            - name: DB_PASSWORD
              valueFrom:
                secretKeyRef:
                  name: {{ .Values.application.name }}-secret
                  key: DB_PASSWORD
            - name: NAMESPACE
              value: {{ .Release.Namespace }}
            - name: MESSAGE
              value: {{ .Values.application.hellok8s.message }}

类似地，ingress.yaml 文件的 metadata.name 也可以改为从 values.yaml 中获取：

# ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: {{ .Values.application.name }}-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/ssl-redirect: "false"
spec:
  rules:
    - http:
        paths:
          - path: /hello
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: service-hellok8s-clusterip
                port:
                  number: 3000
          - path: /
            pathType: Prefix
            backend:


              service:
                name: service-nginx-clusterip
                port:
                  number: 4000

nginx-deployment.yaml 文件的内容如下：

# nginx-deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: {{ .Values.application.nginx.replicas }}
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - image: {{ .Values.application.nginx.image }}
        name: nginx-container

nginx-service.yaml 和 hellok8s-service.yaml 文件的内容没有变化。

# hellok8s-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: service-hellok8s-clusterip
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: hellok8s
  ports:
  - port: 3000
    targetPort: 3000

# nginx-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: service-nginx-clusterip
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 4000
    targetPort: 80

在 hello-helm 目录下执行 helm upgrade 命令进行安装。安装成功后，执行 curl 命令可以直接查看结果，并通过 helm 管理所有资源：

# 如果使用 minikube，需要开启 ingress 功能
minikube addons enable ingress

# 在本地安装 Chart
helm upgrade --install hello-helm --values values.yaml .

如果使用 minikube 或 Docker Desktop，则可能需要公开服务。可以使用 minikube 提供的命令来查看服务列表，并通过 curl 进行测试：

minikube service list
minikube service ingress-nginx-controller -n ingress-nginx --url
# 输出示例：
# http://127.0.0.1:55201  http
# http://127.0.0.1:55202  https
curl http://127.0.0.1:55201/hello
curl http://127.0.0.1:55201/

这样，你就可以通过 Helm 一键管理和部署所有 Kubernetes 资源了！

Rollback

Helm 提供了强大的 Rollback 功能，允许你快速回滚到之前的版本。如果一次更新出现了问题，你可以轻松地恢复到之前的状态。

首先，我们先通过修改 values.yaml 文件，将 message 字段更新为 "It works with Helm Values[v2]!"，以表示这是一个新的版本。

# values.yaml
application:
  name: hellok8s
  hellok8s:
    image: tangrl177/hellok8s:v6
    replicas: 3
    message: "It works with Helm Values[v2]!"
    database:
      url: "http://DB_ADDRESS_DEFAULT"
      password: "db_password"
  nginx:
    image: nginx
    replicas: 2

然后，使用 helm upgrade 命令更新 Kubernetes 资源。你可以通过 curl 命令来验证资源是否已更新成功。

helm upgrade --install hello-helm --values values.yaml .
minikube service list
minikube service ingress-nginx-controller -n ingress-nginx --url
# 输出如下
# http://127.0.0.1:55201  http
# http://127.0.0.1:55202  https
curl http://127.0.0.1:55201/hello
curl http://127.0.0.1:55201/

如果这次更新出现问题，你可以使用 helm rollback 命令快速回滚到之前的版本。需要注意的是，与 Kubernetes 中的 Deployment 回滚类似，Helm 回滚后的 REVISION 版本号会增加。例如，如果你回滚到 REVISION 1，回滚后的 REVISION 版本号将是 3，而不是直接回到 1。回滚后，使用 curl 命令时会看到返回的字符串恢复为 v1 版本。

helm ls
# NAME      	NAMESPACE	REVISION	UPDATED                            	STATUS  	CHART           	APP VERSION
# hello-helm	default  	2       	2024-08-26 17:08:22.20669 +0800 CST	deployed	hello-helm-0.1.0	1.16.0

helm rollback hello-helm 1
# Rollback was a success! Happy Helming!

helm ls
# NAME      	NAMESPACE	REVISION	UPDATED                             	STATUS  	CHART           	APP VERSION
# hello-helm	default  	3       	2024-08-26 17:11:46.380842 +0800 CST	deployed	hello-helm-0.1.0	1.16.0

minikube service list
minikube service ingress-nginx-controller -n ingress-nginx --url
# 输出如下
# http://127.0.0.1:55201  http
# http://127.0.0.1:55202  https
curl http://127.0.0.1:55201/hello
curl http://127.0.0.1:55201/

通过上述步骤，你可以看到 Helm 的 Rollback 功能如何在版本更新出现问题时帮助你迅速恢复到之前的稳定版本。这使得管理 Kubernetes 资源更加灵活和安全。

多环境配置

多环境配置

使用 Helm 进行多环境部署非常方便。首先，你可以为不同的环境创建不同的 values 文件。例如，创建一个 values-dev.yaml 文件，用于自定义 dev 环境的配置信息。

# values-dev.yaml
application:
  hellok8s:
    message: "It works with Helm Values values-dev.yaml!"
    database:
      url: "http://DB_ADDRESS_DEV"
      password: "db_password_dev"

在部署时，你可以使用多次指定 --values 或 -f 参数的方式来加载不同的 values 文件。最后指定的文件（即最右边的文件）具有最高的优先级，因此 values-dev.yaml 文件中的值会覆盖 values.yaml 中相同的值。同时，使用 -n dev 可以在名为 dev 的 namespace 中创建 Kubernetes 资源。执行命令后，通过 curl 命令可以看到返回的字符串中读取的是 values-dev.yaml 文件中的配置，并且显示 From namespace = dev。

helm upgrade --install hello-helm -f values.yaml -f values-dev.yaml -n dev .

kubectl get pods -n dev

除了使用 values 文件外，你还可以通过 --set 直接在命令行中设置独立的值。例如，使用以下命令可以覆盖 values.yaml 和 values-dev.yaml 文件中的 message 字段：

helm upgrade --install hello-helm -f values.yaml -f values-dev.yaml --set application.hellok8s.message="It works with set helm values" -n dev .

这种方法在 CI/CD 中非常常见，因为它允许你在部署过程中灵活地修改配置，而无需更改 values 文件的内容。

打包和发布 Helm Chart

在前面的例子中，我们展示了如何用一行命令在一个新的环境中安装所有需要的 Kubernetes 资源！接下来，我们将讨论如何将 Helm Chart 打包、分发并发布，以便其他人可以下载和使用它。

官方提供了两种教程来实现这一目标：一种是使用 GCS（Google Cloud Storage） 存储，另一种是使用 GitHub Pages 存储 Chart。本教程将采用第二种方法，并使用 chart-releaser-action 进行自动发布。

这个 GitHub Action 会自动将 Helm Chart 发布到 gh-pages 分支上。例如，本教程中的 hellok8s Helm Chart 就发布在 gh-pages 分支的 index.yaml 文件中。

手动打包与发布

在使用 GitHub Action 自动生成和发布 Chart 之前，我们先了解一下如何手动完成这些操作。

在 hello-helm 目录下，使用 helm package 命令将 Chart 目录打包成一个 .tgz 文件。接着，使用 helm repo index 命令基于包含已打包 Chart 的目录生成仓库的索引文件 index.yaml。

最后，你可以使用 helm upgrade --install 命令来安装该指定包：

helm package hello-helm

helm repo index .

helm upgrade --install hello-helm hello-helm-0.1.0.tgz

通过上述步骤，我们可以看到，所谓的 Helm 打包与发布过程，其实就是生成并上传 hello-helm-0.1.0.tgz 和 index.yaml 文件。而 Helm 的下载与安装过程则是将 .tgz 和 index.yaml 文件下载并使用 helm upgrade --install 命令进行安装。

自动发布到 GitHub Pages

为了将生成的 hellok8s Helm Chart 自动发布，我们可以先删除手动生成的 hello-helm-0.1.0.tgz 和 index.yaml 文件，然后使用 GitHub Actions 自动生成和发布这些文件。

以下是 GitHub Action 的配置示例，来自 官方文档 或本教程的源码仓库 .github/workflows/release.yml 文件。该配置会在每次代码推送到远程仓库时，自动将 helm-charts 目录下的所有 Charts 打包并发布到 gh-pages 分支（确保 gh-pages 分支已存在，否则会报错）。

可以通过下面的命令创建新分支：

git checkout --orphan gh-pages
git rm -rf .
echo '# helm chart repo' >> README.md
git add README.md
git commit -m 'new branch'
git push origin gh-pages

下面是 .github/workflows/release.yml 文件：

# .github/workflows/release.yml
name: Release Charts

on:
  push:
    branches:
      - main

jobs:
  release:
    permissions:
      contents: write
    runs-on: ubuntu-latest
    steps:
      - name: Checkout
        uses: actions/checkout@v2
        with:
          fetch-depth: 0

      - name: Configure Git
        run: |
          git config user.name "$GITHUB_ACTOR"
          git config user.email "$GITHUB_ACTOR@users.noreply.github.com"

      - name: Install Helm
        uses: azure/setup-helm@v1
        with:
          version: v3.8.1

      - name: Run chart-releaser
        uses: helm/chart-releaser-action@v1.4.0
        with: 
          charts_dir: helm-charts
        env:
          CR_TOKEN: "${{ secrets.GITHUB_TOKEN }}"

接着，前往 GitHub 仓库的 Settings -> Pages -> Build and deployment -> Branch，选择 gh-pages 分支，GitHub 会自动在 https://username.github.io/project 上发布 Helm Chart。

使用发布后的 Chart

将 Chart 发布到 Github Pages 后，可以通过下面的命令进行快速安装。其中 helm repo add 表示将我创建好的 hellok8s chart 添加到自己本地的仓库当中，helm install 表示从仓库中安装 hellok8s/hello-helm 到 k8s 集群当中。

helm repo add hellok8s https://rongliangtang.github.io/helm-demo/
# "hellok8s" has been added to your repositories

helm install my-hello-helm hellok8s/hello-helm --version 0.1.0
# NAME: my-hello-helm
# NAMESPACE: default
# STATUS: deployed
# REVISION: 1

发布到社区

最后，你可以将自己的 Helm Charts 发布到社区中，例如 ArtifactHub，这样更多人可以使用你的 Chart。像本教程中的 hellok8s Helm Chart 就已经发布在 ArtifactHub 上。通过这些步骤，你就可以将自己的 Helm Chart 打包、发布并共享给全球的开发者使用了。

代码仓库

https://github.com/rongliangtang/helm-demo

参考

Helm 官方文档

Kubernetes 练习手册