设计一个GitLab CI/CD流水线实现Spring Boot应用的容器化构建与Kubernetes部署

题目

设计一个GitLab CI/CD流水线实现Spring Boot应用的容器化构建与Kubernetes部署

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

GitLab CI流水线设计,Docker镜像构建优化,Kubernetes部署配置,环境变量管理

快速回答

该流水线设计包含以下核心阶段：

• 构建阶段：使用Maven构建Spring Boot应用
• Docker构建阶段：创建优化的Docker镜像（多阶段构建）
• 测试阶段：执行容器化单元/集成测试
• 部署阶段：分环境（staging/prod）部署到Kubernetes集群

关键配置要点：

• 使用GitLab CI变量管理敏感信息（Docker凭证/K8s配置）
• 利用缓存加速依赖下载
• 为生产环境部署设置手动审批流程
• 使用Kubernetes Deployment滚动更新策略

1. 整体流水线设计

完整的.gitlab-ci.yml示例：

stages:
  - build
  - docker-build
  - test
  - deploy

variables:
  MAVEN_OPTS: "-Dmaven.repo.local=.m2/repository"
  IMAGE_NAME: ${CI_REGISTRY_IMAGE}:${CI_COMMIT_SHORT_SHA}

# 1. 构建阶段
build:
  stage: build
  image: maven:3.8.6-openjdk-17
  cache:
    key: ${CI_COMMIT_REF_SLUG}
    paths:
      - .m2/repository/
  script:
    - mvn package -DskipTests
  artifacts:
    paths:
      - target/*.jar

# 2. Docker镜像构建（多阶段优化）
docker-build:
  stage: docker-build
  image: docker:20.10.16
  services:
    - docker:20.10.16-dind
  script:
    - docker login -u $CI_REGISTRY_USER -p $CI_REGISTRY_PASSWORD $CI_REGISTRY
    - docker build -t $IMAGE_NAME .
    - docker push $IMAGE_NAME

# 3. 容器化测试
test:
  stage: test
  image: $IMAGE_NAME
  script:
    - mvn test
    - ./run-integration-tests.sh  # 自定义集成测试脚本

# 4. 分环境部署
deploy-staging:
  stage: deploy
  image: bitnami/kubectl:latest
  environment:
    name: staging
    url: https://staging.example.com
  script:
    - echo $KUBE_CONFIG | base64 -d > kubeconfig
    - kubectl --kubeconfig=kubeconfig set image deployment/myapp myapp=$IMAGE_NAME -n staging
  only:
    - main

# 生产环境需要手动触发
deploy-prod:
  stage: deploy
  image: bitnami/kubectl:latest
  environment:
    name: production
    url: https://prod.example.com
  script:
    - echo $KUBE_CONFIG_PROD | base64 -d > kubeconfig
    - kubectl --kubeconfig=kubeconfig apply -f k8s/prod-deployment.yaml
  when: manual
  only:
    - tags

2. 核心组件解析

Dockerfile多阶段构建示例

# 构建阶段
FROM maven:3.8.6-openjdk-17 AS builder
WORKDIR /app
COPY pom.xml .
RUN mvn dependency:go-offline
COPY src ./src
RUN mvn package -DskipTests

# 运行时镜像
FROM openjdk:17-jre-slim
WORKDIR /app
COPY --from=builder /app/target/*.jar app.jar
EXPOSE 8080
ENTRYPOINT ["java", "-jar", "app.jar"]

优化点：

• 分离构建和运行时镜像，减小最终镜像体积（~300MB → ~150MB）
• 提前复制pom.xml下载依赖，利用Docker层缓存

Kubernetes部署配置（k8s/prod-deployment.yaml）

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp
spec:
  replicas: 3
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 0
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
      - name: myapp
        image: ${IMAGE_NAME}
        ports:
        - containerPort: 8080
        envFrom:
        - configMapRef:
            name: app-config
        resources:
          limits:
            memory: "512Mi"
            cpu: "500m"

3. 最佳实践

• 安全凭证管理：
  • 使用GitLab CI的Masked Variables存储Docker登录凭证
  • Kubernetes kubeconfig文件用Base64编码后存入变量
• 构建优化：
  • Maven/Gradle依赖缓存减少构建时间
  • 使用docker build --cache-from复用镜像层
• 部署策略：
  • Staging环境自动部署，Production环境手动审批
  • Kubernetes滚动更新保证零停机部署
  • 通过environment.url在GitLab中直接访问服务

4. 常见错误

• Docker-in-Docker（dind）配置错误：
  • 未正确配置services导致docker命令失败
  • 解决方案：确保使用docker:20.10.16-dind服务
• 镜像标签冲突：
  • 使用latest标签导致版本混乱
  • 正确做法：${CI_COMMIT_SHORT_SHA}保证唯一性
• Kubernetes配置泄漏：
  • 在代码库中存储明文kubeconfig文件
  • 正确做法：通过CI变量注入Base64编码配置

5. 扩展知识

• Helm集成：使用helm upgrade替代原生kubectl实现更复杂的部署
• GitLab Auto DevOps：利用GitLab内置模板快速生成流水线
• 安全扫描：添加容器漏洞扫描阶段（Trivy/Clair）
• HPA配置：在Deployment中配置Horizontal Pod Autoscaler