k8s（五）PV和PVC详解

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前言

在容器化技术飞速发展的今天，Kubernetes 已成为编排容器集群的事实标准。然而，容器天生的 “短暂性” 特性给数据持久化带来了巨大挑战 —— 容器重启后内部数据丢失、跨容器数据共享困难等问题，成为阻碍企业级应用大规模容器化部署的关键瓶颈。如何为容器提供稳定、可靠且灵活的存储支持，实现数据的安全持久化与高效共享，成为每一位 Kubernetes 运维与开发人员必须攻克的核心课题。
本文围绕 Kubernetes 容器存储展开，从基础问题出发，逐步深入讲解各类存储方案的原理、配置与实践。首先剖析容器存储的短暂性痛点，引出 Kubernetes Volume 抽象的核心作用；随后详细介绍 emptyDir、hostPath、NFS 等基础存储卷的特性与使用方法；再深入讲解 PV（Persistent Volume）与 PVC（Persistent Volume Claim）的持久化机制，厘清二者的生命周期与匹配规则；通过 NFS + PV + PVC 的实战案例，帮助读者掌握静态存储配置流程；最后介绍 StorageClass 动态存储方案，对比各类存储方案的优缺点并给出选型建议，为不同规模、不同场景下的容器存储需求提供完整的解决方案参考。

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1. 容器存储的核心挑战与解决方案

1.1 容器存储的短暂性问题

容器的文件系统存在天然局限性：

• 容器崩溃重启后，内部数据会完全丢失
• 同一 Pod 内的多个容器无法直接实现文件共享

1.2 Kubernetes Volume 抽象

Kubernetes 通过 Volume 抽象 解决上述问题：

• 引入 Pause 容器作为 Pod 内所有容器的共享存储载体
• 实现跨容器的文件共享与数据持久化
• 支持多种存储后端，适应不同场景需求

2. 基础存储卷类型

2.1 emptyDir 存储卷

2.1.1 核心特点

• 随 Pod 调度到节点时自动创建
• 与 Pod 生命周期绑定，Pod 删除后数据随之销毁
• 仅适合临时缓存或容器间短期数据共享

2.1.2 配置示例

mkdir /opt/volumes
cd /opt/volumesvim pod-emptydir.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: pod-emptydirnamespace: defaultlabels:app: myapptier: frontend
spec:containers:- name: myappimage: ikubernetes/myapp:v1imagePullPolicy: IfNotPresentports:- name: httpcontainerPort: 80# 定义容器挂载内容volumeMounts:# 使用的存储卷名称，需与下方volumes字段name值匹配- name: html# 挂载至容器中哪个目录mountPath: /usr/share/nginx/html/- name: busyboximage: busybox:latestimagePullPolicy: IfNotPresentvolumeMounts:- name: html# 在容器内定义挂载存储名称和挂载路径mountPath: /data/command: ['/bin/sh','-c','while true;do echo $(date) >> /data/index.html;sleep 2;done']# 定义存储卷volumes:# 定义存储卷名称  - name: html# 定义存储卷类型emptyDir: {}

2.1.3 验证方法

kubectl apply -f pod-emptydir.yaml# 查看Pod状态
kubectl get pods -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-emptydir   2/2     Running   0          36s   10.244.2.19   node02   <none>           <none># 验证容器间共享效果
curl 10.244.2.19
Thu May 27 18:17:11 UTC 2021
Thu May 27 18:17:13 UTC 2021
...

2.2 hostPath 存储卷

2.2.1 核心特点

• 将节点（宿主机）上的目录直接挂载到容器
• 可实现数据持久化（不受 Pod 生命周期影响）
• 存在节点亲和性，节点故障会导致数据无法访问

2.2.2 配置示例

# 1. 在节点上创建挂载目录（所有可能调度的节点都需要）
# 在 node01 节点
mkdir -p /data/pod/volume1
echo 'node01.benet.com' > /data/pod/volume1/index.html# 在 node02 节点
mkdir -p /data/pod/volume1
echo 'node02.benet.com' > /data/pod/volume1/index.html# 2. 创建 Pod 资源
vim pod-hostpath.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: pod-hostpathnamespace: default
spec:containers:- name: myappimage: ikubernetes/myapp:v1# 定义容器挂载内容volumeMounts:# 使用的存储卷名称，需与下方volumes字段name值匹配- name: html# 挂载至容器中哪个目录mountPath: /usr/share/nginx/html# 读写挂载方式，默认为读写模式falsereadOnly: false# volumes字段定义了paues容器关联的存储卷volumes:# 存储卷名称- name: html# 路径，为宿主机存储路径hostPath:# 在宿主机上目录的路径path: /data/pod/volume1# 定义类型，表示如果宿主机没有此目录则自动创建type: DirectoryOrCreate

2.2.3 验证方法

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml# 查看Pod调度节点
kubectl get pods -o wide# 访问测试
curl 10.244.2.35  # 输出对应节点的内容（node01或node02.benet.com）# 验证持久化效果
kubectl delete -f pod-hostpath.yaml  
kubectl apply -f pod-hostpath.yaml 
# 重新访问仍能获取相同内容

注意：hostPath 不适合生产环境的分布式部署，因为它会导致 Pod 与特定节点强绑定，影响调度灵活性。

2.3 NFS 网络共享存储卷

2.3.1 核心特点

• 基于网络的共享存储，支持多节点访问
• 数据集中存放于 NFS 服务端，实现真正的跨节点共享
• 支持 RWX（多路读写）访问模式，适合多 Pod 协作场景

2.3.2 配置示例

2.3.2.1 NFS 服务端配置（stor01节点）

# 安装NFS组件
rpm -q rpcbind nfs-utils
yum install -y nfs-utils rpcbind# 创建共享目录
mkdir /data/volumes -p
chmod 777 /data/volumes# 配置共享策略
vim /etc/exports
/data/volumes 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)# 启动服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
systemctl enable rpcbind
systemctl enable nfs# 验证配置
showmount -e
# 输出应显示：Export list for stor01:/data/volumes 192.168.10.0/24

2.3.2.2 创建使用NFS的Pod

vim pod-nfs-vol.yaml
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:name: pod-vol-nfsnamespace: default
spec:containers:- name: myappimage: ikubernetes/myapp:v1volumeMounts:- name: htmlmountPath: /usr/share/nginx/htmlvolumes:- name: htmlnfs:path: /data/volumesserver: stor01   

2.3.3 验证方法

kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml# 在NFS服务器创建测试文件
echo "<h1> nfs stor01</h1>" >/data/volumes/index.html# 访问测试
kubectl get pods -o wide  # 获取Pod IP
curl 10.244.2.38  # 应输出<h1> nfs stor01</h1># 验证持久化
kubectl delete -f pod-nfs-vol.yaml  
kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml 
# 重新访问仍能获取相同内容

3. PV 与 PVC 持久化机制

3.1 核心概念

• PV（Persistent Volume）：持久化存储卷，由运维人员定义，描述底层存储资源
• PVC（Persistent Volume Claim）：持久化存储请求，由开发者创建，描述所需存储特性
• StorageClass：存储类，用于自动创建 PV 的模板，简化存储管理

概念	作用	维护者
PV	定义底层存储资源	运维管理员
PVC	用户提出存储需求	应用开发者
StorageClass	自动创建 PV 模板	运维工程师

3.2 生命周期管理

PV和PVC的交互遵循以下生命周期：

Provisioning（配置）→ Binding（绑定）→ Using（使用）→ Releasing（释放）→ Recycling（回收）

1. Provisioning：PV的创建，支持静态创建和动态创建（通过StorageClass）
2. Binding：系统将合适的PV分配给PVC
3. Using：Pod通过PVC使用存储卷，系统会阻止删除正在使用的PVC
4. Releasing：Pod删除PVC释放存储卷
5. Recycling：根据回收策略处理PV资源

3.3 PV的状态流转

• Available：可用状态，未被任何PVC绑定
• Bound：已绑定到某个PVC
• Released：PVC已删除，但资源尚未被集群回收
• Failed：自动回收失败

3.4 回收策略

• Retain：保留数据，需手动清理（默认策略）
  • PV被标记为Released状态，数据保留
  • 需要手动删除PV并清理存储资源
• Delete：自动删除存储资源
  • 仅支持AWS EBS、GCE PD等云存储
• Recycle：清空数据后重新可用
  • 仅支持NFS和HostPath
  • 相当于执行rm -rf /thevolume/*
  • 注意：Kubernetes 1.14+已弃用此策略

3.5 PV与PVC定义规范

3.5.1 PV定义示例

# 查看PV定义规范
kubectl explain pv
kubectl explain pv.spec# 示例PV定义
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv001  # PV名称
spec:nfs:  # 存储类型path: /data/volumes/v1  # 挂载路径server: stor01  # NFS服务器地址accessModes:  # 访问模式- ReadWriteOnce  # RWO：仅单Pod读写- ReadWriteMany  # RWX：多Pod读写capacity:  # 存储容量storage: 1GipersistentVolumeReclaimPolicy: Retain  # 回收策略storageClassName: ""  # 存储类名称（为空表示不关联任何存储类）

3.5.2 PVC定义示例

# 查看PVC定义规范
kubectl explain pvc
kubectl explain pvc.spec# 示例PVC定义
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:name: mypvc  # PVC名称namespace: default
spec:accessModes:  # 访问模式（必须是PV支持的子集）- ReadWriteManyresources:requests:storage: 2Gi  # 申请的存储容量storageClassName: ""  # 需与目标PV的storageClassName匹配

匹配规则：PVC与PV需在accessModes、storageClassName和存储容量上匹配才能成功绑定

4. NFS + PV + PVC 实战

4.1 准备工作

# 在NFS服务器上创建目录
mkdir /data/volumes/v{1,2,3,4,5}# 配置NFS共享
vim /etc/exports
/data/volumes/v1 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v2 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v3 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v4 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v5 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)# 生效配置
exportfs -arv# 验证
showmount -e

4.2 创建PV

vim pv-demo.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv001labels:name: pv001
spec:nfs:path: /data/volumes/v1server: stor01accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]capacity:storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv002labels:name: pv002
spec:nfs:path: /data/volumes/v2server: stor01accessModes: ["ReadWriteOnce"]capacity:storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv003labels:name: pv003
spec:nfs:path: /data/volumes/v3server: stor01accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]capacity:storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv004labels:name: pv004
spec:nfs:path: /data/volumes/v4server: stor01accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]capacity:storage: 4Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv005labels:name: pv005
spec:nfs:path: /data/volumes/v5server: stor01accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]capacity:storage: 5Gi

# 创建PV
kubectl apply -f pv-demo.yaml# 查看PV状态
kubectl get pv
# 所有PV应处于Available状态

4.3 创建PVC和使用它的Pod

vim pod-vol-pvc.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:name: mypvcnamespace: default
spec:accessModes: ["ReadWriteMany"]resources:requests:storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: pod-vol-pvcnamespace: default
spec:containers:- name: myappimage: ikubernetes/myapp:v1volumeMounts:- name: htmlmountPath: /usr/share/nginx/htmlvolumes:- name: htmlpersistentVolumeClaim:claimName: mypvc

# 创建资源
kubectl apply -f pod-vol-pvc.yaml# 查看绑定状态
kubectl get pv
# pv003应处于Bound状态，CLAIM列显示default/mypvckubectl get pvc
# mypvc应处于Bound状态，VOLUME列显示pv003

4.4 验证效果

# 在NFS服务器对应目录创建测试文件
cd /data/volumes/v3/
echo "welcome to use pv3,hhhhhhh" > index.html# 访问Pod验证
kubectl get pods -o wide  # 获取Pod IP
curl 10.244.1.27  # 应输出welcome to use pv3,hhhhhhh

5. StorageClass + NFS 动态存储

5.1 动态存储的优势

• 自动创建PV，无需手动预配置
• 按需分配存储资源，提高资源利用率
• 简化存储管理流程，降低运维成本

5.2 实现原理

通过nfs-client-provisioner组件实现：

• 监听PVC创建事件
• 根据StorageClass配置自动创建PV
• 在NFS服务器上创建对应目录
• 建立PV与PVC的绑定关系

5.3 部署步骤

5.3.1 准备NFS服务

# 在stor01节点
mkdir /opt/k8s
chmod 777 /opt/k8s/vim /etc/exports
/opt/k8s 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash,sync)systemctl restart nfs

5.3.2 创建RBAC权限配置

因为要使用外部插件所以必须给进行授权，然后给权限绑定角色

vim nfs-client-rbac.yaml
# 创建ServiceAccount
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:name: nfs-client-provisioner
---
# 创建集群角色
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:name: nfs-client-provisioner-clusterrole
rules:- apiGroups: [""]resources: ["persistentvolumes"]verbs: ["get", "list", "watch", "create", "delete"]- apiGroups: [""]resources: ["persistentvolumeclaims"]verbs: ["get", "list", "watch", "update"]- apiGroups: ["storage.k8s.io"]resources: ["storageclasses"]verbs: ["get", "list", "watch"]- apiGroups: [""]resources: ["events"]verbs: ["list", "watch", "create", "update", "patch"]- apiGroups: [""]resources: ["endpoints"]verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch", "patch", "update"]
---
# 集群角色绑定
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:name: nfs-client-provisioner-clusterrolebinding
subjects:
- kind: ServiceAccountname: nfs-client-provisionernamespace: default
roleRef:kind: ClusterRolename: nfs-client-provisioner-clusterroleapiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f nfs-client-rbac.yaml

5.3.3 部署NFS Provisioner

# 注意：K8s 1.20+版本需要添加以下配置
vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
spec:containers:- command:- kube-apiserver- --feature-gates=RemoveSelfLink=false  # 添加此行- --advertise-address=192.168.10.120...# 重启API Server
kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
kubectl delete pods kube-apiserver -n kube-system # 创建Provisioner部署
vim nfs-client-provisioner.yaml        
kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:name: nfs-client-provisioner
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: nfs-client-provisionerstrategy:type: Recreatetemplate:metadata:labels:app: nfs-client-provisionerspec:serviceAccountName: nfs-client-provisionercontainers:- name: nfs-client-provisionerimage: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latestimagePullPolicy: IfNotPresentvolumeMounts:- name: nfs-client-rootmountPath: /persistentvolumesenv:- name: PROVISIONER_NAMEvalue: nfs-storage  # 需与StorageClass中的provisioner一致- name: NFS_SERVERvalue: stor01      # NFS服务器地址- name: NFS_PATHvalue: /opt/k8s    # NFS共享目录volumes:- name: nfs-client-rootnfs:server: stor01path: /opt/k8s

kubectl apply -f nfs-client-provisioner.yaml # 验证部署
kubectl get pod
# 应看到nfs-client-provisioner-xxx处于Running状态

5.3.4 创建StorageClass

vim nfs-client-storageclass.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:name: nfs-client-storageclass
provisioner: nfs-storage  # 与Provisioner中的PROVISIONER_NAME一致
parameters:archiveOnDelete: "false"  # 删除PVC时是否存档数据

kubectl apply -f nfs-client-storageclass.yaml# 查看存储类
kubectl get storageclass

5.3.5 测试动态存储

vim test-pvc-pod.yamlapiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:name: test-nfs-pvc
spec:accessModes:- ReadWriteManystorageClassName: nfs-client-storageclass  # 关联存储类resources:requests:storage: 1Gi
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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: test-storageclass-pod
spec:containers:- name: busyboximage: busybox:latestimagePullPolicy: IfNotPresentcommand: ["/bin/sh", "-c", "sleep 3600"]volumeMounts:- name: nfs-pvcmountPath: /mntrestartPolicy: Nevervolumes:- name: nfs-pvcpersistentVolumeClaim:claimName: test-nfs-pvc  # 与PVC名称一致

kubectl apply -f test-pvc-pod.yaml

5.4 验证动态存储功能

# 1. 查看PVC状态
kubectl get pvc
# test-nfs-pvc应处于Bound状态# 2. 查看自动创建的PV
kubectl get pv
# 应有一个与PVC对应的PV处于Bound状态# 3. 查看NFS服务器上自动创建的目录
ls /opt/k8s/
# 应看到类似default-test-nfs-pvc-<随机ID>的目录# 4. 验证数据写入
kubectl exec -it test-storageclass-pod sh
/ # cd /mnt
/mnt # echo 'this is test file' > test.txt# 5. 在NFS服务器验证
cat /opt/k8s/default-test-nfs-pvc-*/test.txt
# 应输出this is test file

6. 存储方案对比与选型建议

存储类型	生命周期	共享性	持久性	典型场景	优缺点
emptyDir	Pod生命周期	同Pod内	❌	临时缓存、容器间通信	优点：简单易用；缺点：生命周期短
hostPath	节点生命周期	单节点	✅	节点级日志存储、临时数据	优点：实现简单；缺点：节点亲和性强、不适合分布式
NFS	独立服务	多节点	✅✅	集群共享存储、中小规模部署	优点：易维护、成本低；缺点：性能一般
PV + PVC	集群级别	按需分配	✅✅✅	生产环境、规范存储管理	优点：解耦存储与应用；缺点：需手动管理PV
StorageClass	自动管理	动态分配	✅✅✅✅	大规模部署、云原生应用	优点：自动化程度高；缺点：初期配置复杂

6.1 选型建议

1. 开发测试环境：可选用emptyDir或hostPath
2. 小规模生产环境：NFS + PV + PVC组合
3. 大规模生产环境：StorageClass + 企业级存储（如Ceph、GlusterFS）
4. 有状态应用：推荐使用PVC + StatefulSet组合，确保存储稳定性

6.2 注意事项

1. 避免在生产环境使用hostPath，会导致Pod调度受限
2. NFS性能有限，高IO场景建议使用专业存储方案
3. 合理设置PV回收策略，避免数据意外丢失
4. 生产环境建议为StorageClass配置默认存储类，简化PVC创建

通过合理选择和配置Kubernetes存储方案，可以有效解决容器化应用的数据持久化问题，为应用提供可靠、灵活的存储支持。

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总结

本文系统梳理了 Kubernetes 容器存储的核心技术与实践方案，从问题本质到解决方案，从基础配置到高级实战，构建了一套完整的容器存储知识体系。首先，针对容器存储的短暂性问题，Kubernetes 通过 Volume 抽象实现了数据持久化与跨容器共享，而 emptyDir、hostPath、NFS 三类基础存储卷，分别适用于临时缓存、节点级存储、跨节点共享等不同基础场景，各有其适用边界与局限性。
在此基础上，PV 与 PVC 机制实现了存储资源与应用需求的解耦 —— 运维人员定义 PV 描述底层存储资源，开发人员通过 PVC 提出存储需求，二者通过访问模式、存储容量、存储类等维度实现自动匹配，规范了存储管理流程。而 StorageClass 动态存储方案则进一步提升了存储管理的自动化水平，通过 nfs-client-provisioner 组件实现 PV 的自动创建、目录生成与绑定，大幅降低了大规模集群下的存储运维成本。
在实际选型中，需结合业务场景与规模综合考量：开发测试环境可选择简单的 emptyDir 或 hostPath；小规模生产环境推荐 NFS + PV + PVC 组合，平衡易用性与稳定性；大规模生产环境则建议采用 StorageClass 结合企业级存储（如 Ceph、GlusterFS），满足高可用与高 IO 需求。同时，需警惕 hostPath 的节点亲和性风险、NFS 的性能瓶颈，合理设置 PV 回收策略，确保数据安全。
总之，Kubernetes 容器存储方案没有 “最优解”，只有 “最适解”。掌握各类存储方案的特性与适用场景，根据业务需求灵活选择与配置，才能为容器化应用构建稳定、高效且可靠的数据存储底座，支撑企业级应用的持续稳定运行。