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# 49 | 服务编排（上）：Helm服务编排基础知识
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你好，我是孔令飞。
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我们将应用部署在Kubernetes时，可能需要创建多个服务。我就见过一个包含了40多个微服务的超大型应用，每个服务又包含了多个Kubernetes资源，比如 Service、Deployment、StatefulSet、ConfigMap等。相同的应用又要部署在不同的环境中，例如测试环境、预发环境、现网环境等，也就是说应用的配置也不同。
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对于一个大型的应用，如果基于YAML文件一个一个地部署Kubernetes资源，是非常繁琐、低效的，而且这些YAML文件维护起来极其复杂，还容易出错。那么，有没有一种更加高效的方式？比如，像Docker镜像一样，将应用需要的Kubernetes资源文件全部打包在一起，通过这个包来整体部署和管理应用，从而降低应用部署和维护的复杂度。
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答案是有。我们可以通过Helm Chart包来管理这些Kubernetes文件，并通过`helm`命令，基于Chart包来创建和管理应用。
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接下来，我就来介绍下Helm的基础知识，并给你演示下如何基于Helm部署IAM应用。
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## Helm基础知识介绍
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Helm目前是Kubernetes服务编排事实上的标准。Helm提供了多种功能来支持Kubernetes的服务编排，例如 `helm` 命令行工具、Chart包、Chart仓库等。下面，我就来详细介绍下。
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### Helm是什么？
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Helm是Kubernetes的包管理器，类似于Python的 `pip` ，centos的 `yum` 。Helm主要用来管理Chart包。Helm Chart包中包含一系列YAML格式的Kubernetes资源定义文件，以及这些资源的配置，可以通过Helm Chart包来整体维护这些资源。
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Helm也提供了一个`helm`命令行工具，该工具可以基于Chart包一键创建应用，在创建应用时，可以自定义Chart配置。应用发布者可以通过Helm打包应用、管理应用依赖关系、管理应用版本，并发布应用到软件仓库；对于使用者来说，使用Helm后不需要编写复杂的应用部署文件，可以非常方便地在Kubernetes上查找、安装、升级、回滚、卸载应用程序。
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Helm最新的版本是v3，Helm3以Helm2的核心功能为基础，对Chart repo、发行版管理、安全性和library Charts进行了改进。和Helm2比起来，Helm3最明显的变化是删除了Tiller（Helm2 是一种 Client-Server 结构，客户端称为 Helm，服务器称为 Tiller）。Helm3还新增了一些功能，并废弃或重构了Helm2的部分功能，与Helm2不再兼容。此外，Helm3还引入了一些新的实验功能，包括OCI支持。
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Helm3架构图如下：
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上面的架构图中，核心是Helm Client（`helm`命令）和Helm Chart包。`helm`命令可以从`Chart Repository`中下载Helm Chart包，读取`kubeconfig`文件，并构建kube-apiserver REST API接口的HTTP请求。通过调用Kubernetes提供的REST API接口，将Chart包中包含的所有以YAML格式定义的Kubernetes资源，在Kubernetes集群中创建。
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这些资源以Release的形式存在于Kubernetes集群中，每个Release又包含多个Kubernetes资源，例如Deployment、Pod、Service等。
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### Helm中的三大基本概念
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要学习和使用Helm，一定要了解Helm中的三大基本概念，Helm的所有操作基本都是围绕着这些概念来进行的。下面我来介绍下Helm的三大基本概念。
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* **Chart：** 代表一个Helm包。它包含了在Kubernetes集群中运行应用程序、工具或服务所需的所有YAML格式的资源定义文件。
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* **Repository（仓库）：** 它是用来存放和共享 Helm Chart的地方，类似于存放源码的GitHub的Repository，以及存放镜像的Docker的Repository。
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* **Release：**它是运行在 Kubernetes 集群中的 Chart 的实例。一个Chart通常可以在同一个集群中安装多次。每一次安装都会创建一个新的 Release。
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### 我们为什么要使用Helm？
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现在你对Helm已经有了一定了解，这里我再来详细介绍下为什么要使用Helm。
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先来看下传统的应用部署模式：
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我们有测试环境、预发环境、现网环境三个环境，每个环境中部署一个应用A，应用A中包含了多个服务，每个服务又包含了自己的配置，不同服务之间的配置有些是共享的，例如`配置A`。
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每个服务由一个复杂的Kubernetes YAML格式的文件来定义并创建，可以看到如果靠传统的方式，去维护这些YAML格式文件，并在不同环境下使用不同的配置去创建应用，是一件非常复杂的工作，并且后期YAML文件和Kubernetes集群中部署应用的维护都很复杂。随着微服务规模越来越大，会面临以下挑战：
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* 微服务化服务数量急剧增多，给服务管理带来了极大的挑战。
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* 服务数量急剧增多，增加了管理难度，对运维部署是一种挑战。
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* 服务数量的增多，对服务配置管理也提出了更高的要求。
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* 随着服务数量增加，服务依赖关系也变得更加复杂，服务依赖关系的管理难度增大。
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* 在环境信息管理方面，在新环境快速部署一个复杂应用变得更加困难。
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所以，我们需要一种更好的方式，来维护和管理这些YAML文件和Kubernetes中部署的应用。Helm可以帮我们解决上面这些问题。
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接下来，我们来看下Helm是如何解决这些问题的。
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在Helm中，可以理解为主要包含两类文件：模板文件和配置文件。模板文件通常有多个，配置文件通常有一个。Helm的模板文件基于`text/template`模板文件，提供了更加强大的模板渲染能力。Helm可以将配置文件中的值渲染进模板文件中，最终生成一个可以部署的Kubernetes YAML格式的资源定义文件，如下图所示：
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上图中，我们将以下配置渲染进了模板中，生成了Kubernetes YAML文件：
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```yaml
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replicas: 2
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tag: latest
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common:
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username: colin
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password: iam1234
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```
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所以在Helm中，部署一个应用可以简化为`Chart模板（多个服务） + Chart配置 -> 应用`，如下图所示：
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Chart模板一个应用只用编写一次，可以重复使用。在部署时，可以指定不同的配置，从而将应用部署在不同的环境中，或者在同一环境中部署不同配置的应用。
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## Helm 基本操作实战
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上面，我介绍了Helm的一些基础知识，这里我们再来学习下如何使用Helm对应用进行生命周期管理。
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### 前置条件
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在开始之前，你需要确保你有一个可以使用的Kubernetes集群。目前最方便快捷、最经济的方式是申请一个腾讯云EKS集群。至于如何申请和访问，你可以参考 [48讲](https://time.geekbang.org/column/article/418711) “准备一个Kubernetes集群”部分的教程。这里再提醒下，**用完集群后，记得删除集群资源，免得被持续扣费**。
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### 安装Helm
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Helm提供了多种安装方式，在能连通外网的情况下，可以通过脚本来安装，安装命令如下：
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```bash
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$ mkdir -p $HOME/bin
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$ wget https://get.helm.sh/helm-v3.6.3-linux-amd64.tar.gz
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$ tar -xvzf helm-v3.6.3-linux-amd64.tar.gz
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$ mv linux-amd64/helm $HOME/bin
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$ chmod +x $HOME/bin/helm
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$ helm version
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version.BuildInfo{Version:"v3.6.3", GitCommit:"d506314abfb5d21419df8c7e7e68012379db2354", GitTreeState:"clean", GoVersion:"go1.16.5"}
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```
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如果执行`helm version`可以成功打印出 `helm` 命令的版本号，说明Helm安装成功。
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Helm各版本安装包地址见 [Helm Releases](https://github.com/helm/helm/releases)。
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安装完`helm`命令后，可以安装`helm`命令的自动补全脚本。假如你用的shell是`bash`，安装方法如下：
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```bash
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$ helm completion bash > $HOME/.helm-completion.bash
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$ echo 'source $HOME/.helm-completion.bash' >> ~/.bashrc
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$ bash
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```
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执行 `helm comp<TAB>`，就会自动补全为`helm completion`。
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### Helm快速入门
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你可以通过以下六个步骤，来快速创建一个Chart应用。
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**第一步，初始化一个Helm Chart仓库。**
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安装完Helm之后，就可以使用 `helm` 命令添加一个Chart仓库。类似于用来托管Docker镜像的DockerHub、用来托管代码的GitHub，Chart包也有一个托管平台，当前比较流行的Chart包托管平台是[Artifact Hub](https://artifacthub.io/packages/search?kind=0)。
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Artifact Hub上有很多Chart仓库，我们可以添加需要的Chart仓库，这里我们添加BitNami提供的Chart仓库：
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```bash
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$ helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami # 添加 Chart Repository
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$ helm repo list # 查看添加的 Repository 列表
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```
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添加完成后，我们可以通过`helm search`命令，来查询需要的Chart包。`helm search`支持两种不同的查询方式，这里我来介绍下。
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* `helm search repo<keyword>`：从你使用 `helm repo add` 添加到本地 Helm 客户端中的仓库里查找。该命令基于本地数据进行搜索，无需连接外网。
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* `helm search hub<keyword>`：从 Artifact Hub 中查找并列出 Helm Charts。 Artifact Hub中存放了大量的仓库。
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Helm 搜索使用模糊字符串匹配算法，所以你可以只输入名字的一部分。下面是一个`helm search`的示例：
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```bash
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$ helm search repo bitnami
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NAME CHART VERSION APP VERSION DESCRIPTION
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bitnami/bitnami-common 0.0.9 0.0.9 DEPRECATED Chart with custom templates used in ...
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bitnami/airflow 10.2.8 2.1.2 Apache Airflow is a platform to programmaticall...
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bitnami/apache 8.6.1 2.4.48 Chart for Apache HTTP Server
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bitnami/argo-cd 1.0.2 2.0.5 Declarative, GitOps continuous delivery tool fo...
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bitnami/aspnet-core 1.3.14 3.1.18 ASP.NET Core is an open-source framework create...
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bitnami/cassandra 8.0.2 4.0.0 Apache Cassandra is a free and open-source dist...
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bitnami/cert-manager 0.1.15 1.5.1 Cert Manager is a Kubernetes add-on to automate...
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# ... and many more
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```
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**第二步，安装一个示例Chart。**
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查询到自己需要的Helm Chart后，就可以通过`helm install`命令来安装一个Chart。`helm install`支持从多种源进行安装：
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* Chart的Repository。
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* 本地的Chart Archive，例如`helm install foo foo-1.0.0.tgz`。
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* 一个未打包的Chart路径，例如`helm install foo path/to/foo`。
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* 一个完整的URL，例如`helm install foo https://example.com/charts/foo-1.0.0.tgz`。
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这里，我们选择通过`bitnami/mysql` Chart包来安装一个MySQL应用。你可以执行 `helm show chart bitnami/mysql` 命令，来简单了解这个Chart的基本信息。 或者，你也可以执行 `helm show all bitnami/mysql`，获取关于该Chart的所有信息。
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接下来，就可以使用`helm install`命令来安装这个Chart包了。安装命令如下：
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```bash
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$ helm repo update # Make sure we get the latest list of charts
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$ helm install bitnami/mysql --generate-name
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NAME: mysql-1629528555
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LAST DEPLOYED: Sat Aug 21 14:49:19 2021
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NAMESPACE: default
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STATUS: deployed
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REVISION: 1
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TEST SUITE: None
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NOTES: ...
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```
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在上面的例子中，我们通过安装`bitnami/mysql`这个Chart，创建了一个`mysql-1629528555` Release。`--generate-name`参数告诉Helm自动为这个Release命名。
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在安装过程中，Helm 客户端会打印一些有用的信息，包括哪些资源已经被创建，Release当前的状态，以及你是否还需要执行额外的配置步骤。例如，从上述例子的输出中，你可以获取到数据库的Root密码、登陆方式、更新方式等信息。
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安装完之后，你可以使用 `helm status` 来追踪Release 的状态。
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每当你执行 `helm install` 的时候，都会创建一个新的发布版本。所以一个Chart在同一个集群里面可以被安装多次，每一个都可以被独立地管理和升级。
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`helm install`命令会将templates渲染成最终的Kubernetes能够识别的YAML格式，然后安装到Kubernetes集群中。
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`helm install` 功能非常强大，想了解更多功能，你可以参考这个指南：[使用 Helm](https://helm.sh/zh/docs/intro/using_helm)。
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**第三步，安装前自定义 Chart。**
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上一步中的安装方式只会使用 Chart 的默认配置选项，很多时候我们需要自定义 Chart 来指定我们想要的配置。使用 `helm show values` 可以查看 Chart 中的可配置选项：
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```bash
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$ helm show values bitnami/mysql # 为了方便展示，我删除了 `helm show values`输出中的`#`注释
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# ... and many more
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architecture: standalone
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auth:
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rootPassword: ""
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database: my_database
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username: ""
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password: ""
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replicationUser: replicator
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replicationPassword: ""
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existingSecret: ""
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forcePassword: false
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usePasswordFiles: false
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customPasswordFiles: {}
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initdbScripts: {}
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# ... and many more
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```
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然后，你可以使用 YAML 格式的文件，覆盖上述任意配置项，并在安装过程中使用该文件。
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```bash
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$ echo '{auth.database: iam, auth.username: iam, auth.password: iam59!z$}' > values.yaml
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$ helm install bitnami/mysql -f values.yaml --generate-name
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```
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上述命令将为 MySQL 创建一个名称为 `iam` 的默认用户，密码为`iam59!z$`，并且授予该用户访问新建的 `iam` 数据库的权限。Chart 中的其他默认配置保持不变。
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安装过程中，有两种传递配置数据的方式。
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* `-f, --values`：使用 YAML 文件覆盖配置。可以指定多次，优先使用最右边的文件。
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* `--set`：通过命令行的方式对指定配置项进行覆盖。
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如果同时使用两种方式，则 `--set` 中的值会被合并到 `--values` 中，但是 `--set` 中的值优先级更高。在`--set`中覆盖的内容会被保存在 ConfigMap 中。你可以通过 `helm get values <release-name>` 来查看指定 Release 中 `--set` 设置的值，也可以通过运行 `helm upgrade` 并指定 `--reset-values` 字段，来清除 `--set`中设置的值。
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**这里我讲解下`--set`的格式和限制。**
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`--set` 选项使用`0`或多个`key-value` 对。最简单的用法类似于`--set name=value`，等价于下面这个 YAML 格式：
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```yaml
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name: value
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```
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多个值之间使用逗号分割，因此`--set a=b,c=d` 的 YAML 表示是：
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```yaml
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a: b
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c: d
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`--set`还支持更复杂的表达式。例如，`--set outer.inner=value` 被转换成了：
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```yaml
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outer:
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inner: value
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```
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列表使用花括号`{}`来表示。例如，`--set name={a, b, c}` 被转换成了：
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```yaml
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name:
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- a
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- b
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- c
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```
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从 2.5.0 版本开始，我们可以使用数组下标的语法来访问列表中的元素了。例如 `--set servers[0].port=80` 就变成了：
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```yaml
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servers:
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- port: 80
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```
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多个值也可以通过这种方式来设置。`--set servers[0] [0].host=``marmotedu` 变成了：
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```yaml
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servers:
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- port: 80
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host: marmotedu
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```
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如果需要在 `--set` 中使用特殊字符，你可以使用反斜线来进行转义，比如`--set name=value1\,value2` 就变成了：
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```yaml
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name: "value1,value2"
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```
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如果是深层嵌套的数据结构，可能很难用`--set` 来表达，更多内容你可以参考 [Values 文件](https://helm.sh/docs/chart_template_guide/values_files/)。
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**第四步，查看当前集群安装了哪些Release。**
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通过`helm list`可以查看当前集群、当前Namespace下安装的Release列表：
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```bash
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$ helm list
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NAME NAMESPACE REVISION UPDATED STATUS CHART APP VERSION
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mysql-1629528555 default 1 2021-08-21 14:49:19.101935218 +0800 CST deployed mysql-8.8.4 8.0.26
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mysql-1629529348 default 1 2021-08-21 15:02:32.079969128 +0800 CST deployed mysql-8.8.4 8.0.26
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```
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可以看到，我们创建了两个Release，这些Release位于`default`命名空间中。上述命令，也列出了Release的更新时间、状态、Chart的版本等。
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**第五步，升级 Release，并且在失败时恢复。**
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部署完应用之后，后续还可能升级应用，可以通过`helm upgrade`命令来升级应用。升级操作会基于已有的Release，根据提供的信息进行升级。Helm在更新时，只会变更有更改的内容。
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例如，这里我们升级`mysql-1629528555`，变更它的Root密码：
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```bash
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$ helm upgrade mysql-1629528555 bitnami/mysql --set auth.rootPassword='iam59!z$'
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```
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在上面的例子中，`mysql-1629528555` 这个 Release 使用相同的 Chart 进行升级，但使用了一个新的`rootPassword`配置。
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我们可以使用 `helm get values` 命令，来看看配置值是否真的生效了：
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```bash
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$ helm get values mysql-1629528555
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USER-SUPPLIED VALUES:
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auth:
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rootPassword: iam59!z$
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```
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可以看到`rootPassword` 的新值已经被部署到集群中了。
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假如发布失败，我们也很容易通过 `helm rollback [RELEASE] [REVISION]` 命令，回滚到之前的发布版本。
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```yaml
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$ helm rollback mysql-1629528555 1
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```
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上面这条命令将我们的`mysql-1629528555`回滚到了它最初的版本。Release 版本其实是一个增量修订（revision）。 每当发生了一次安装、升级或回滚操作，revision 的值就会加`1`。第一次 revision 的值永远是`1`。
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我们可以使用 `helm history [RELEASE]` 命令来查看一个特定 Release 的修订版本号：
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```bash
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$ helm history mysql-1629528555
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REVISION UPDATED STATUS CHART APP VERSION DESCRIPTION
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1 Sat Aug 21 14:49:19 2021 superseded mysql-8.8.4 8.0.26 Install complete
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2 Sat Aug 21 15:14:45 2021 deployed mysql-8.8.4 8.0.26 Upgrade complete
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```
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你还可以指定一些其他的选项，来自定义 Helm 在安装、升级、回滚期间的行为。这里，我介绍一些常用的参数，供你参考。
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* `--timeout`：一个 Go duration 类型的值，用来表示等待 Kubernetes 命令完成的超时时间，默认值为 `5m0s`。
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* `--no-hooks`：不运行当前命令的钩子。
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* `--wait`：表示必须要等到所有的 Pods 都处于 ready 状态、PVC 都被绑定、Deployments处在 ready 状态的Pods 个数达到最小值（Desired减去 maxUnavailable），才会标记该 Release 为成功。最长等待时间由 `--timeout` 值指定。如果达到超时时间，Release 将被标记为 `FAILED`。
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这里需要注意，当 Deployment 的 replicas 被设置为1，但其滚动升级策略中的`maxUnavailable` 没有被设置为`0`时，`--wait` 将返回就绪，因为已经满足了最小 ready Pod 数。
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**第六步，卸载Release。**
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你可以使用`helm uninstall`命令卸载一个Release：
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```bash
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$ helm uninstall mysql-1629528555
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```
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上述命令会从Kubernetes卸载 `mysql-1629528555`， 它将删除和该版本关联的所有资源（Service、Deployment、Pod、ConfigMap等），包括该Release的所有版本历史。
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如果你在执行 `helm uninstall` 的时候提供`--keep-history` 选项， Helm将会保存版本历史。 你可以通过`helm status`命令查看该版本的信息：
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```bash
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$ helm status mysql-1629528555
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Status: UNINSTALLED
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...
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```
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因为 `--keep-history` 选项会让Helm跟踪你的版本（即使你卸载了它们），所以你可以审计集群历史，甚至使用 `helm rollback` 回滚版本。
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### Helm命令
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上面我介绍了Helm的一些命令的用法，如果你想查看Helm提供的所有命令，可以执行`helm help`。或者，你也可以执行`helm <subcommand> -h`来查看某个子命令的用法，例如：
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```bash
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$ helm get -h
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This command consists of multiple subcommands which can be used to
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get extended information about the release, including:
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- The values used to generate the release
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- The generated manifest file
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- The notes provided by the chart of the release
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- The hooks associated with the release
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Usage:
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helm get [command]
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# ... and many more
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```
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我整理了一份命令列表，供你参考：
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上面这些命令中，有些提供了子命令和命令行参数，具体你可以执行`helm <subcommand> -h`来查看。
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## 总结
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今天，我介绍了Helm的基础知识，并给你演示了如何基于Helm部署IAM应用。
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当一个应用包含了很多微服务时，手动在Kubernetes集群中部署、升级、回滚这些微服务是一件非常复杂的工作。这时候，我们就需要一个服务编排方案来编排这些服务，从而提高服务部署和维护的效率。
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目前业界提供了多种服务编排方案，其中最流行的是Helm，Helm已经成为一个事实上的Kubernetes服务编排标准。
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在Helm中，有Chart、Repository和Release三大基本概念。Chart 代表一个Helm包，里面包含了运行Kubernetes应用需要的所有资源定义YAML文件；Repository是Chart仓库，用来存放和共享 Helm Chart；Release是运行在 Kubernetes 集群中的 Chart 的实例。
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我们可以通过 `helm install [NAME] [CHART] [flags]` 来安装一个Chart包；通过 `helm upgrade [RELEASE] [CHART] [flags]` 来更新一个Helm Release；通过 `helm uninstall RELEASE_NAME [...] [flags]` 来卸载一个Helm Release。另外，`helm` 命令行工具还提供了其他的功能，你可以再回顾一遍。
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## 课后练习
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1. 思考下，如果使用Helm创建服务，是否会存在先启动服务，再创建服务配置，从而导致服务启动时加载配置失败的问题？如果有，Helm可以怎样解决这个问题？
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2. 尝试将IAM应用制作成一个Chart包，并通过Helm安装。
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欢迎你在留言区与我交流讨论，我们下一讲见。
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