破解Kubernetes应用开发困局
如果您的开发环境是Minikube或自建/云K8s集群，开发的对象是微服务应用，自定义Controller或Operator，并且正在面临编码/调试/测试循环慢的问题。通过本文，您将收获如何借助开源工具实现在Kubernetes环境下更加高效的开发循环反馈，以及解密开源工具Nocalhost的全新用法和核心原理。
本期分享嘉宾
王炜
腾讯云CODING DevOps高级架构师
【嘉宾介绍】CNCF大使，曾任腾讯云大学、腾讯云原生技术开放日、腾讯Live开发者大会、Techo开发者大会、QECon等大会讲师，中国电子技术标准化研究院木兰开源社区导师。主导 Nocalhost——云原生开发工具：https://github.com/nocalhost/nocalhost，并著有《Spinnaker 实战：云原生多云环境的持续部署方案》。
以下是王炜老师在SACC2022大会的演讲实录：
K8s环境下的开发困局
对于传统的开发过程来说，大部分开发处于一个单体应用的架构。随着单体应用越来越复杂，很多团队会发现，单体应用已经不能很好地嵌合公司的业务发展需要，也不能很好地在公司现有组织架构的责任划分中承担迭代作用。
此时，越来越来的公司会把单体应用选择拆分为微服务。由微服务组成的应用之后，微服务之间的运行以及它所需要的环境有很大的差异。微服务可能由不同的团队负责研发，团队里面采用的语言是多样性的。
微服务依赖、打包、运行、迁移越来越难，Docker提供镜像打包的解决方案。容器越来越多，服务编排、发现、稳定性监控、自愈等成为新的挑战。Kubernetes提供容器编排的解决方案。
在运维方面，开发难、概念繁多，声明式定义学习成本高；调试难，无法像本地一样调试，开发效率低。完全面向运维提供能力，对开发增加了巨大的负担。云原生环境下的学习成本，招聘成本，用人成本急剧上升。
云原生开发技能广度要求急剧提升，传统应用后端需要具备Java、SpringBoot、Redis、Nginx、Mysql等技能。云原生应用后端需要具备Java、SpringCloud、Docker、Prometheus、Redis、Nginx、Mysql、etcd、gRPC、Fluentd等技能。
这张图是CNCF基金会的云原生全景图，里面有数百个项目。其中的技术栈是非常复杂的，每家公司用的技术栈都不太一样，所以对于开发同学来讲，不仅开发和调试变得很难，而且需要学习的东西也变得非常多。
在基于K8s环境下去做开发的时候，第一，开发同学缺少背景知识。第二，K8s和容器本身给他带来一些开发和调试的问题。这就导致一个普通的开发同学在云原生的环境下，做开发是极其困难的。
除此之外，CNCF官方在云原生开发工具方面，提供一些项目来解决我们的开发问题。对于开发环节，CNCF官方以及社区仍然缺少标准化的实践。总而言之，云原生开发工具依然缺失，目前社区没有非常好的解决方案。
主流的云原生开发方式
关于主流的云原生开发方式，可以分为四个过程：全手工流程，业务应用采用了K8s，本地编码之后，手动构建镜像，并且推送到镜像仓库，修改工作负载镜像版本，等待K8s重新调度；自动化CI/CD流程，编码后，推送到代码仓库，自动触发CI/CD流程，等待生效。
Minikube+Telepresence，Minikube拉起本地K8s开发环境，Telepresence实现本地编码。云环境+Telepresence，云上K8s集群提供计算资源解决弹性能的问题，Telepresence本地编码。
本地环境和容器、工作负载声明有很大的差异，导致业务源码很难在本地运行。
一是环境差异，工作负载声明了 env、configmap、secret、volume 等，很难在本地复制出 完全一致的环境。二是跨平台差异，即便是能够将远端的env、configmap挂载到本地，也难以屏蔽跨平台之间的差异。三是网络限制，全量代理的方式会使得网络拓扑产生变化，导致内网、公网访问无法达到预期。
热加载原理
如何实现容器热加载？从Dockerfile说起，Dockerfile CMD或ENTRYPOINT定义容器启动命令，只需要运行自己编译的二进制文件，对应容器PID=1的进程。如果将二进制文件替换为源码运行的方式，那么就实现了容器的热加载。
事实上，实现容器热加载还缺少三个基本的条件：1、源码从哪来？2、Golang Runtime从哪来？3、PID=1的进程替换成源码运行，如果进程停止，容器将Crash，怎么阻止？
对此，从本地同步到容器；将业务容器的镜像替换为Runtime镜像；替换PID=1 进程为阻塞进程：/bin/sh -c tail -f /dev/null。
开发和调试演示
根据Nocalhost使用角色来分类的话，对于基础设施团队来讲，可以采用Server端，高度集中管理开发环境、开发者、应用、开发集群等开发资源，实现开发者间环境隔离。使用前提是已定义“应用”，具备重部能力，例如Manifest、Helm、 Kustomize。
对于开发者来讲，直接提供的能力是IDE插件，在开发过程无需重新构建镜像，本地编码实时生效，缩短开发-调试-测试的循环反馈，提高开发和调试效率。使用前提是集群内已有工作负载即可进行开发。
管理人员的诉求是统一管理微服务应用包，降低应用的维护成本；统一管理开发环境和集群，提高集群资源的利用率，同时具备隔离特性；为新员工快速分配开发环境，分配环境后立刻能进行应用开发；弹性的开发环境资源，用完销毁、降低开发成本。
Nocalhost Server隔离开发环境，并且统一管理开发资源。为开发创建基于NS隔离的开发环境，开发者可使用管理员预定义的应用随时拉起开发环境。统一管理开发者、集群、开发环境、应用，配合IDE插件使用。
IDE插件支持VSCode和Jetbrains全系列插件，支持两种开发方式，具备容器热加载和一键Debug功能。本地编码实时生效，无需重新构建镜像。便捷的一键调试功能和一键Run，屏蔽新人使用复杂度。
替换容器镜像为开发镜像，提供语言编译和运行环境。继承configmap、env、volume挂载等配置，这是源码在容器里运行的核心基础。此外，替换容器PID=1的进程为阻塞进程，防止容器Crash。增加文件同步的Sidecar，实现本地和容器源码同步。在IDE内自动获取远端容器Terminal，方便启停进程。
在开发环境的使用过程中，有一个常见的差异是很多团队会共用开发环境的概念，来管理自己的开发环境。在这种模式下，不适合直接替换掉某一个Service，将它进入开发模式里，因为这会破坏开发环境，影响到其他人的开发。
那么，对于共用开发环境的用法，Nocalhost提供Duplicate开发模式，又称为复制开发模式。它不会直接替换掉Service，而是会先复制一个出来。
在隔离开发环境，也就是说开发环境是个人独享的。这种情况下就可以用Replace开发模式，直接替换某个工作负载，这是最简单的一个方式，可以实现所见即所得的开发体验。
开源共建
目前，Nocalhost已经在Github上面全部开源，包括插件端和Server端，且免费使用，有大概1100个Star左右。最近，我们把Nocalhost捐赠给CNCF，成为CNCF的SANDBOX项目。所以，Nocalhost是一个公共的项目，不会有厂商绑定的问题，以及长时间不维护的问题。
规划
Nocalhost整个产品里面会做一些长远的规划。比如说，VCluster虚拟集群、开发空间休眠、虚拟隔离开发空间。社区有一种技术叫做VCluster，可以基于父亲K8s集群虚拟出n个子K8s集群。
对于非工作时间，Nocalhost可以实现开发空间自动进行休眠，直接把工作负载的副本数缩为零，从而让它不占用你的计算资源。虚拟隔离开发环境，可以将其理解为Service Mesh开发环境的增强。