[用一个自研的编程语言能做什么？(系列文章 1)] KCL - 让 Kubernetes 资源清单管理更容易

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KCL - 让 Kubernetes 资源清单管理更简单

什么是 KCL

KCL (Kusion Configuration Language) 是一个开源的基于约束的记录及函数语言，主要用于配置编写和策略校验场景。KCL 期望通过成熟的编程语言技术和实践来改进对大量繁杂配置的编写，致力于构建围绕配置的更好的模块化、扩展性和稳定性，更简单的逻辑编写，以及更快的自动化集成和良好的生态延展性。

所谓配置就是当我们部署软件系统时，我们并不认为它们是固定不变的。不断发展的业务需求、基础架构要求和其他因素意味着系统不断变化。当我们需要快速更改系统行为，并且更改过程需要昂贵、冗长的重建和重新部署过程时，业务代码更改往往是不够的。而配置可以为我们提供了一种低开销的方式来改变系统功能，比如我们会经常为系统编写一些如下所示的 JSON 或 YAML 文件作为我们系统的配置。

• JSON 配置

{
    "server": {
        "addr": "127.0.0.1",
        "listen": 4545
    },
    "database": {
        "enabled": true,
        "ports": [
            8000,
            8001,
            8002
        ],
    }
}

• YAML 配置

server:
  addr: 127.0.0.1
  listen: 4545
database:
  enabled: true
  ports:
  - 8000
  - 8001
  - 8002

我们可以根据需要选择在 JSON 和 YAML 文件中存储静态配置。此外，配置还可以存储在允许更灵活配置的高级语言中，通过代码编写、渲染并得到静态配置。KCL 就是这样一种配置语言，我们可以编写 KCL 代码来生成 JSON/YAML 等配置。这篇文章我们重点讲述使用 KCL 生成并管理 Kubernetes 资源，并通过一些简单的例子给大家一个简单的快速开始，更多的内容我们会在后续文章展开。

为什么使用 KCL

当我们管理 Kubernetes 资源清单时，我们常常会手写维护，或者使用 Helm 和 Kustomize 等工具来维护我们 YAML 配置或者配置模版，然后通过 kubectl 和 helm 命令行等工具将资源下发到集群。但是作为一个 "YAML 工程师" 每天维护 YAML 配置无疑是琐碎且无聊的，并且容易出错。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata: ... # Omit
spec:
  selector:
    matchlabels:
      cell: RZ00A
  replicas: 2
  template:
    metadata: ... # Omit
    spec:
      tolerations:
      - effect: NoSchedules
        key: is-over-quota
        operator: Equal
        value: 'true'
      containers:
      - name: test-app
          image: images.example/app:v1 # Wrong ident
        resources:
          limits:
            cpu: 2 # Wrong type. The type of cpu should be str
            memory: 4Gi
            # Field missing: ephemeral-storage
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: is-over-quota
                operator: In
                values:
                - 'true'

• YAML 中的结构化数据是无类型的，缺乏验证方法，无法立即检查所有数据的有效性
• YAML 编程能力欠佳，容易写出不正确的缩进，也没有逻辑判断、等常见代码组织方式，容易写出大量重复配置，难以维护
• Kubernetes 设计是复杂的，用户很难理解所有细节，比如上面配置中的 toleration 和 affinity 字段，如果用户不理解调度逻辑，它可能被错误地省略掉或者多余的添加

因此，KCL 期望在 Kubernetes YAML 资源管理解决如下问题：

• 用生产级高性能编程语言以编写代码的方式提升配置的灵活度，比如条件语句、循环、函数、包管理等特性提升配置重用的能力
• 在代码层面提升配置语义验证的能力，比如字段可选 /必选、类型、范围等配置检查能力
• 提供配置分块编写、组合和抽象的能力，比如结构定义、结构继承、约束定义等能力

如何使用 KCL 生成并管理 Kubernetes 资源

前提条件

首先可以在 KCL 项目首页 根据指导下载并安装 KCL ，然后准备一个 Kubernetes 环境

生成 Kubernetes 资源

我们可以编写如下 KCL 代码并命名为 main.k ，KCL 受 Python 启发，基础语法十分接近 Python, 比较容易学习和上手, 配置模式写法很简单，k [: T] = v, 其中 k 表示配置的属性名称; v 表示配置的属性值; : T 表示一个可选的类型注解。

apiVersion = "apps/v1"
kind = "Deployment"
metadata = {
    name = "nginx"
    labels.app = "nginx"
}
spec = {
    replicas = 3
    selector.matchLabels = metadata.labels
    template.metadata.labels = metadata.labels
    template.spec.containers = [
        {
            name = metadata.name
            image = "${metadata.name}:1.14.2"
            ports = [{ containerPort = 80 }]
        }
    ]
}

上述 KCL 代码中我们分别声明了一个 Kubernetes Deployment 资源的 apiVersion、kind、metadata 和 spec 等变量，并分别赋值了相应的内容，特别地，我们将 metadata.labels 字段分别重用在 spec.selector.matchLabels 和 spec.template.metadata.labels 字段。可以看出，相比于 YAML ，KCL 定义的数据结构更加紧凑，而且可以通过定义局部变量实现配置重用。

我们可以执行如下命令行得到一个 Kubernetes YAML 文件

kcl main.k

输出为:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        ports:
        - containerPort: 80

当然我们可以将 KCL 工具与 kubectl 等工具结合使用，让我们执行如下命令并看看效果

$ kcl main.k | kubectl apply -f -

deployment.apps/nginx-deployment configured

可以从命令行的结果看出看出与我们使用直接使用 YAML 配置和 kubectl apply 的一个 Deployment 体验完全一致

通过 kubectl 检查部署状态

$ kubectl get deploy

NAME               READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   3/3     3            3           15s

编写代码管理 Kubernetes 资源

对于 Kubernetes 资源发布时，我们常常会遇到配置参数需要动态指定的场景，比如不同的环境需要设置不同的 image 字段值生成不同环境的资源。对于这种场景，我们可以通过 KCL 的条件语句和 option 函数动态地接收外部参数。我们可以在上述例子的基础上根据不同的环境调整配置参数，比如对于如下代码，我们编写了一个条件语句并输入一个名为 env 的动态参数

apiVersion = "apps/v1"
kind = "Deployment"
metadata = {
    name = "nginx"
    labels.app = "nginx"
}
spec = {
    replicas = 3
    selector.matchLabels = metadata.labels
    template.metadata.labels = metadata.labels
    template.spec.containers = [
        {
            name = metadata.name
            image = "${metadata.name}:1.14.2" if option("env") == "prod" else "${metadata.name}:latest"
            ports = [{ containerPort = 80 }]
        }
    ]
}

使用 KCL 命令行 -D 标记接收一个外部设置的动态参数：

kcl main.k -D env=prod

输出为:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        ports:
        - containerPort: 80

上述代码片段中的 image = metadata.name + ":1.14.2" if option("env") == "prod" else metadata.name + ":latest" 意思为：当动态参数 env 的值被设置为 prod 时，image 字段值为 nginx:1.14.2, 否则为 nginx:latest，因此我们可以根据需要为 env 设置为不同的值获得不同内容的 Kubernetes 资源。

并且 KCL 支持将 option 函数动态参数维护在配置文件中，比如编写下面展示的 kcl.yaml 文件

kcl_options:
  - key: env
    value: prod

使用如下命令行也可以得到同样的 YAML 输出，以简化 KCL 动态参数的输入过程

kcl main.k -Y kcl.yaml

输出为:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        ports:
        - containerPort: 80

下一期

本期内容大概简单介绍了用 KCL 编写配置的快速入门和使用 KCL 定义并管理 Kubernetes 资源。

目前阶段 Kustomize 和 Helm 已经慢慢演进成在 Kubernetes 配置定义和管理领域的事实意义上的标准，熟悉 Kubernetes 的小伙伴可能更喜欢显式配置编写方式编写。那么相较于 Kustomize 和 Helm ，用 KCL 来写配置文件渲染，又有什么异同呢？考虑到有很多小伙伴已经在使用 Helm ，Kustomize 这样的工具，下一期我将介绍用 KCL 的方式来写对应的配置代码，敬请期待！！

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