Flink on k8s容器日志生成原理及与Yarn部署时的日志生成模式对比

Flink on k8s容器日志生成原理及与Yarn部署时的日志生成模式对比

最近需要将flink由原先部署到Yarn集群切换到kubernetes集群，在切换之后需要熟悉flink on k8s的运行模式。在使用过程中针对日志模块发现，在k8s的容器中，flink的系统日志只有jobmanager.log/taskmanager.log 两个，而当时在使用Yarn集群部署时，flink的日志会有多个，比如:jobmanager.log、jobmanager.err和jobmanager.out，TaskManager同理。

因此，有同事就提出为什么在k8s中部署时，只有.log一个文件，能不能类似Yarn部署时那样对日志文件进行区分。只是从容器日志来看的话，在一开始不够了解k8s的情况下，会觉得日志收集的不够准确。

因此针对上面的这个问题，就归我进行研究和解决了。网上的相关资料也比较少，因此，在本次对上面这个问题整体了解分析之后，进行一次学习记录。有遇到相关类似问题的，也可以参考这个思路。

一、认为需要修改log4j配置即可

拿到这个问题的第一步首先想到的是，既然要对日志的类别进行区分，则可以修改log4j的配置，将INFO类别和ERROR类别分别写入不同的日志文件即可。于是，先对flink路径下的conf/log4j-console.properties进行修改(flink on k8s部署时，使用的log4j配置文件是flink-console.properties文件，而不是log4j.properties)。

这里我们留下一个小疑问：为什么部署到k8s中时，使用的是log4j-console.properties，而不是部署到Yarn时的log4j.properties？有什么区别？

修改后的log4j-console.properties示例如下所示：

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#  Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one
#  or more contributor license agreements.  See the NOTICE file
#  distributed with this work for additional information
#  regarding copyright ownership.  The ASF licenses this file
#  to you under the Apache License, Version 2.0 (the
#  "License"); you may not use this file except in compliance
#  with the License.  You may obtain a copy of the License at
#
#      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
#
#  Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
#  distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
#  WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
#  See the License for the specific language governing permissions and
# limitations under the License.
################################################################################

# Allows this configuration to be modified at runtime. The file will be checked every 30 seconds.
monitorInterval=30

# This affects logging for both user code and Flink
rootLogger.level = INFO
rootLogger.appenderRef.console.ref = ConsoleAppender
rootLogger.appenderRef.rolling.ref = RollingFileAppender
rootLogger.appenderRef.errorLogFile.ref = errorLogFile

# Uncomment this if you want to _only_ change Flink's logging
#logger.flink.name = org.apache.flink
#logger.flink.level = INFO

# The following lines keep the log level of common libraries/connectors on
# log level INFO. The root logger does not override this. You have to manually
# change the log levels here.
logger.akka.name = akka
logger.akka.level = INFO
logger.kafka.name= org.apache.kafka
logger.kafka.level = INFO
logger.hadoop.name = org.apache.hadoop
logger.hadoop.level = INFO
logger.zookeeper.name = org.apache.zookeeper
logger.zookeeper.level = INFO

# Log all infos to the console
appender.console.name = ConsoleAppender
appender.console.type = CONSOLE
appender.console.layout.type = PatternLayout
appender.console.layout.pattern = %d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss,SSS} %-5p %-60c %x - %m%n

# Log all infos in the given rolling file
appender.rolling.name = RollingFileAppender
appender.rolling.type = RollingFile
appender.rolling.append = true
appender.rolling.fileName = ${sys:log.file}
appender.rolling.filePattern = ${sys:log.file}.%i
appender.rolling.layout.type = PatternLayout
appender.rolling.layout.pattern = %d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss,SSS} %-5p %-60c %x - %m%n
appender.rolling.policies.type = Policies
appender.rolling.policies.size.type = SizeBasedTriggeringPolicy
appender.rolling.policies.size.size=100MB
appender.rolling.policies.startup.type = OnStartupTriggeringPolicy
appender.rolling.strategy.type = DefaultRolloverStrategy
appender.rolling.strategy.max = ${env:MAX_LOG_FILE_NUMBER:-10}
appender.rolling.filter.threshold.type = LevelMatchFilter
appender.rolling.filter.threshold.level = INFO
appender.rolling.filter.threshold.onMatch = ACCEPT
appender.rolling.filter.threshold.onMisMatch = DENY

appender.errorFile.name = errorLogFile
appender.errorFile.type = RollingFile
appender.errorFile.append = true
appender.errorFile.fileName = ${sys:log.file}.err
appender.errorFile.filePattern = ${sys:log.file}.err.%i
appender.errorFile.layout.type = PatternLayout
appender.errorFile.layout.pattern = %d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss,SSS} %-5p %-60c %x - %m%n
appender.errorFile.policies.type = Policies
appender.errorFile.policies.size.type = SizeBasedTriggeringPolicy
appender.errorFile.policies.size.size = 100MB
appender.errorFile.policies.startup.type = OnStartupTriggeringPolicy
appender.errorFile.strategy.type = DefaultRolloverStrategy
appender.errorFile.strategy.max = ${env:MAX_LOG_FILE_NUMBER:-10}
appender.errorFile.filter.threshold.type = ThresholdFilter
appender.errorFile.filter.threshold.level = ERROR
appender.errorFile.filter.threshold.onMatch = ACCEPT
appender.errorFile.filter.threshold.onMisMatch = DENY

# Suppress the irrelevant (wrong) warnings from the Netty channel handler
logger.netty.name = org.apache.flink.shaded.akka.org.jboss.netty.channel.DefaultChannelPipeline
logger.netty.level = OFF

这里相比原始文件的修改，主要集中在以下两个方面：

观察上面的log4j-console.properties配置可以发现，在设置文件名时，使用了一个系统变量${sys:log.file}，这个系统变量使用过flink配置的应该都比较熟悉，指定本地flink日志的默认路径，比如/opt/log/jobmanager.log。

经过测试后，使用上面的log4j配置能够实现我最初的想法，即将INFO日志和ERROR日志区分开，写入不同的文件。但是经过与Yarn部署时的文件对比发现，实际上并不能满足原始需求。

因为在Yarn中，.log日志中也会存在ERROR日志类型的数据，似乎并不是利用log4j配置进行分开。而且我查看log4j.properties配置，也没有发现类似这种区分日志类型的配置。同时在Yarn中，.err日志输出的是任务异常信息，比如e.printStackTrace()，.out日志输出的是类似System.out.println中的数据。而log4j的配置实际上单纯的只是针对flink执行时的系统日志进行配置处理，似乎跟上面的场景还不是一样的。

因此，就要去寻找新的思路，在摸索之后，决定从根据这个log.file的系统变量，从flink的源码入手

二、Flink源码分析-Yarn

在本地git clone好flink的源码后，切换到flink1.12版本分支，进行全局搜索"log.file"，在flink-runtime模块下发现了BootstrapTools类，在该类下，有一个getTaskManagerShellCommand的方法，在方法中，有一处代码非常有用，如下所示：

startCommandValues.put(
                "redirects",
                "1> "
                 + logDirectory
                 + "/taskmanager.out "
                 + "2> "
                 + logDirectory
                 + "/taskmanager.err"
           );

可以看到，这里不就是我们最初想要生成的.out和.err文件吗！！。那么这里的redirects表示什么意思呢？

观察后源码知道，flink设置了一个启动命令行的template模块，有一个redirects的占位符，因此上面实际上就是后续将重定向命令替换redirects占位符。

接下来看一下这个方法在哪里被调用了，发现除了在BootstrarpToolsTest测试类中被调用外，只在flink-yarn项目下src/main/java/org/apache/flink/yarn/Utils.java类中被使用，如下所示：

String launchCommand =
                BootstrapTools.getTaskManagerShellCommand(
                        flinkConfig,
                        tmParams,
                        ".",
                        ApplicationConstants.LOG_DIR_EXPANSION_VAR,
                        hasLogback,
                        hasLog4j,
                        hasKrb5,
                        taskManagerMainClass,
                        taskManagerDynamicProperties);

        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Starting TaskManagers with command: " + launchCommand);
        } else {
            log.info("Starting TaskManagers");
        }

因此，当部署到Yarn集群上上时，在构建TaskManager的启动命令时，会使用上述的方法。同时，上面的代码发现，当满足log.isDebugEnabled()条件时，可以打印出这个启动命令。如何能满足这个条件呢？实际上，log.isDebugEnabled()就是表示当前log4j的配置是允许打印DEBUG类型日志的，因此，我们去到flink的conf/log4j.properties下，修改rootLogger.level = INFO => rootLogger.level = DEBUG，然后再重新运行任务，即可在日志中看到这个启动命令：

可以看到，在启动命令的最后位置，有上面代码中的重定向命令，这个重定向命令将标准输出和标准错误分别重定向到了.out和.err文件。

至此，我们就成功定位了在Yarn中为什么能够生成.err和.out日志的原因了。实际上就是由于这样的一条重定向语句，将flink任务执行时的标准输出和标准错误分别重定向到了.out和.err文件。这也解释了为什么在Yarn部署时，.err日志里显示的是异常信息，比如e.printStackTrace()，.out文件输出的是包括System.out的日志数据

弄明白了Yarn的日志生成机制后，我们接下来去看一下k8s是怎么实现的？

三、Flink源码分析-Kubernetes

那么在k8s部署时，是否也有这样的重定向语句呢？为了一探究竟，仍然是分析flink 1.12版本的源码。在flink-kubernetes项目下，有一个src/main/java/org/apache/flink/kubernetes/utils/KubernetesUtils.java类，在该类下，存在一个getCommonStartCommand方法，该方法类似于上面getTaskManagerShellCommand方法，也是用来构造启动命令参数的，但是在该方法下，我发现就不存在这样的一条重定向语句：

startCommandValues.put(
                "logging",
                getLogging(
                        logDirectory + "/" + logFileName + ".log",
                        configDirectory,
                        hasLogback,
                        hasLog4j));

只有这样的一个写入.log文件的启动命令配置。同时遗憾的是，在k8s部署时，也没有类似上面Yarn那样可以在DEBUG日志类型下，打印出启动命令的语句。但是，我们仍然能做出一个初步的结论：

flink部署在k8s上时，没有.out和.err文件，就是由于源码中在启动TaskManager/JobManager的启动命令参数中，没有将标准输出和标准错误进行重定向到指定的.out和.err文件导致的。而生成的.log文件，就是在log4j-console.properties中配置的RollingFile滚动的系统日志。

同时我发现，在flink1.11版本时，上面的方法中还保留着跟Yarn一样的重定向语句，只是从1.12版本之后，就去掉了该重定向语句，是什么原因呢？

至此，我们找出了flink部署到k8s中时，只有一个.log文件的根源。接下来，为了解决最初的原始问题，需要向方案去解决。

四、设计解决方案

首先想到的解决方案，肯定就是将Yarn那里的重定向源码复制一份到上面的k8s代码中，然后重新打包Flink再进行部署。但这种方案尝试之后发现，在用maven打包flink时会出现很多异常，比如包找不到。而且flink有180多个pom要打包，时间应该会花费非常长，在本次需求对flink源码改动要求不是很大的情况下，感觉这种调试会花费太多不必要的时间。遂舍弃改方案。

另一个方案，就是想办法在外层，能不能在将flink打包成镜像的时候，在它原先源码中定义的启动命令参数后，再手动添加上重定向命令。为此，观察pod的yaml可以发现，容器启动的参数有args下，启动命令时执行/docker-entrypoint.sh脚本

有了这些信息后，就找到docker-entrypoint.sh的启动脚本，打开后进行分析，通过日志可以知道，脚本执行的过程中，会进入到下面的这个分支下：

其中args参数就是上面容器中的args参数，可以看到原先这个分支的最后一行是去执行exec $(drop_privs_cmd) bash -c "${args[@]}"。因此，我们就可以在这里，手动添加上标准输出和标准错误的重定向到指定文件，也相当于实现了在启动参数中加入重定向语句。

这里我们还需要借助args参数中的-Dlog.file中显示的是jobmanager还是taskmanager来决定重定向写入的文件名是jobmanager.err还是taskmanager.err。为此使用sed命令，先获取到args中的-Dlog.file内容（即上面的参数logFilePath）,然后从logFilePath中，获取到jobmanager/taskmanager的文件名（即logFileName参数）。

然后，我们添加上重定向命令：

exec $(drop_privs_cmd) bash -c "${args[@]} 1> /opt/flink/log/${logFileName}.out 2> /opt/flink/log/${logFileName}.err

至此，我们就成功在外层flink打包成镜像时，手动在启动命令参数后添加了重定向命令，模拟了Yarn执行时的命令，来生成.err和.out文件。接下来，就是打包成镜像，然后在k8s中进行测试了。经过测试，我们发现，在/opt/log/路径下，真的生成了.out、.err和.log三个文件！！！

同时经过测试可以发现，.err、.out和.log文件分别对应了标准错误、标准输出和系统文件三部分内容。实现了跟部署在Yarn上时一样的场景，解决了我们文章最初提出的问题！！！

然而。。却出现了问题。

五、问题以及对k8s日志的理解

在完成上述测试之后，当我再次点击pod，或者使用kubectl logs命令来查看日志时发现，日志里竟然只有启动脚本的一些日志，而flink执行的系统日志都没有了！！

没办法，只能再去分析原因了。在kubernetes的官网中，在日志架构章节中，赫然写着如下一段话：

容器运行时对写入到容器化应用程序的 stdout 和 stderr 流的所有输出进行处理和转发。 不同的容器运行时以不同的方式实现这一点；不过它们与 kubelet 的集成都被标准化为 CRI 日志格式。

默认情况下，如果容器重新启动，kubelet 会保留一个终止的容器及其日志。 如果一个 Pod 被逐出节点，所对应的所有容器及其日志也会被逐出。

kubelet 通过 Kubernetes API 的特殊功能将日志提供给客户端访问。 访问这个日志的常用方法是运行 kubectl logs。

虽然我现在对k8s的理解也不够，但看上面这段话让我意识到，容器的日志收集或许也是通过监听stdout和stderr来生成的。。。 而由于我上面使用重定向命令，将标准输出和标准错误都重定向到了指定的文件中，导致stdout和stderr无法监听到日志数据，所以容器内的日志就获取不到了。

或者说，利用上面将标准输出和标准错误重定向写入指定指定文件的方式，是相当于将原先容器里的日志，分别根据日志类型映射到了.err、.out和.log日志文件下来展示。

那这样分析下来，我发现，flink之所以在1.12版本之后将重定向命令从源码中去掉，可能为的就是利用k8s的日志聚合，将stdout和stderr都写入容器日志中，方便后续对容器日志的监控和分析等操作。

嗯。。此时，感觉上面最开始的分析都白费了，因为本身容器的日志实际上就已经包含了所有日志数据了，根本不用再做.out和.err的区分了

这里插一句，还记得文章在第一部分提出的问题吗？这里，大家再思考另一个问题，就是讲到这里，我们知道容器会对stdout和stderr流进行处理和转发。stderr包含flink任务执行时的异常信息，stdout包含任务执行时的标准输出信息，那么flink执行时的系统日志比如INFO、ERROR日志数据，容器时从哪里获取到的呢？log4j中配置的RollingFile类型的appender可不属于标准输出。

那么这个问题的答案，也就是flink提交到k8s部署时，为什么使用的是log4j-console.properties配置的原因了。

因为在log4j-console.properties中，会有一个ConsoleAppender的配置，将flink的系统日志打印到CONSOLE（System.out）,所以相当于将系统日志打印到了标准输出，然后容器再通过监听stdout从而获取到系统日志。

而部署到Yarn时，使用的log4j.properties的配置中，就可以看到并没有ConsoleAppender的配置，所以它的系统日志全部打印到了.log文件中。

解决了这个问题，再说回之前的分析。我们上面添加的重定向操作，相当于是模仿着Yarn上部署的方式，将原先容器里的日志，分别根据日志类型映射到了.err、.out和.log日志文件下来展示。但是此时容器中的日志却丢失了，可能会对后续我们最容器上的日志采集和分析有影响。

那有没有什么解决方案呢？

双写。尝试在将标准输出和标准错误重定向到指定文件时，同时重定向到stdout和stderr。为此，我们进行了测试，也就是docker-entrypoint.sh中的下面这行代码：

exec $(drop_privs_cmd) bash -c "${args[@]} 1> >(tee /opt/flink/log/${logFileName}.out >/dev/stdout) 2> >(tee /opt/flink/log/${logFileName}.err >/dev/stderr)"

命令中的1> >(tee /opt/flink/log/${logFileName}.out >/dev/stdout)表示将标准输出重定向到一个匿名的管道中，并将管道中的内容通过tee命令同时输出到文件/opt/flink/log/${logFileName}.out和标准输出设备中。

经过测试，可以实现上面的功能，即既有.out和.err文件，同时，容器日志也恢复最初的状态。

但是需要说明一点的是，由于log4j-console.properties配置把系统日志也作为标准输出的一部分，因此生成的.out文件中实际上包含了任务中System.out的输出和系统文件两部分内容。而.err文件则只包含了标准错误的日志内容。

至此，实现的日志效果是：

• 容器日志：包含系统日志、标准输出、标准错误
• .out日志：包含系统日志、标准输出
• .err日志：包含标准错误

以上就是本次，针对最初提出的k8s日志问题，进行的一次深入探究和思考。在研究过程中，对log4j的日志配置也有了更深入的理解，由于一开始对容器和k8s技术的不了解，导致最后似乎实现的结果不理想，但技术不就是不断探究的过程吗！

关于上面的问题，如果有遇到类似的也欢迎找我探讨，感谢阅读！