Kubernetes DeploymentとReplicaSet：Podレプリカの管理

DeploymentはKubernetesでPodを管理する推奨方法です。宣言的な更新、ローリングデプロイ、ロールバック機能を提供します。この記事では、Deployment、ReplicaSet、デプロイ戦略を解説します。

階層構造の理解

flowchart TB
    Deploy["Deployment"] --> RS["ReplicaSet"]
    RS --> P1["Pod 1"]
    RS --> P2["Pod 2"]
    RS --> P3["Pod 3"]

    style Deploy fill:#3b82f6,color:#fff
    style RS fill:#8b5cf6,color:#fff
    style P1 fill:#22c55e,color:#fff
    style P2 fill:#22c55e,color:#fff
    style P3 fill:#22c55e,color:#fff

リソース	目的
Deployment	ReplicaSetを管理、更新とロールバックを処理
ReplicaSet	指定された数のPodレプリカが実行されていることを保証
Pod	実際のコンテナを実行

ReplicaSet

ReplicaSetとは？

ReplicaSetは、指定された数のPodレプリカが常に実行されていることを保証します。

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: nginx-replicaset
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:1.25
          ports:
            - containerPort: 80

ReplicaSetの動作

flowchart LR
    subgraph Current["現在の状態"]
        P1["Pod 1"]
        P2["Pod 2"]
    end

    subgraph Desired["望ましい状態: 3レプリカ"]
        D1["Pod 1"]
        D2["Pod 2"]
        D3["Pod 3"]
    end

    RS["ReplicaSet<br/>コントローラー"] --> |"作成"| D3

    style RS fill:#3b82f6,color:#fff
    style D3 fill:#22c55e,color:#fff

なぜDeploymentを使うのか？

機能	ReplicaSet	Deployment
レプリカ管理	可能	可能
ローリングアップデート	不可	可能
ロールバック	不可	可能
更新履歴	なし	あり
一時停止/再開	不可	可能

Deployment

基本的なDeployment

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:1.25
          ports:
            - containerPort: 80
          resources:
            requests:
              memory: "64Mi"
              cpu: "250m"
            limits:
              memory: "128Mi"
              cpu: "500m"

完全なDeployment例

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
  labels:
    app: web-app
  annotations:
    kubernetes.io/change-cause: "Initial deployment"
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 10
  progressDeadlineSeconds: 600

  selector:
    matchLabels:
      app: web-app

  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 0

  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-app
        version: v1.0.0
    spec:
      containers:
        - name: web
          image: myapp:1.0.0
          ports:
            - containerPort: 8080
          env:
            - name: NODE_ENV
              value: "production"
          resources:
            requests:
              memory: "256Mi"
              cpu: "500m"
            limits:
              memory: "512Mi"
              cpu: "1000m"
          readinessProbe:
            httpGet:
              path: /health
              port: 8080
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 10
          livenessProbe:
            httpGet:
              path: /health
              port: 8080
            initialDelaySeconds: 15
            periodSeconds: 20

デプロイ戦略

RollingUpdate（デフォルト）

古いPodを新しいPodに徐々に置き換えます。

spec:
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1        # 望ましい数を超える最大Pod数
      maxUnavailable: 0  # 利用不可にできる最大Pod数

flowchart LR
    subgraph Step1["ステップ 1"]
        O1["v1"]
        O2["v1"]
        O3["v1"]
    end

    subgraph Step2["ステップ 2"]
        S1["v1"]
        S2["v1"]
        S3["v1"]
        N1["v2"]
    end

    subgraph Step3["ステップ 3"]
        T1["v1"]
        T2["v1"]
        M1["v2"]
        M2["v2"]
    end

    subgraph Step4["ステップ 4"]
        F1["v2"]
        F2["v2"]
        F3["v2"]
    end

    Step1 --> Step2 --> Step3 --> Step4

    style O1 fill:#ef4444,color:#fff
    style O2 fill:#ef4444,color:#fff
    style O3 fill:#ef4444,color:#fff
    style F1 fill:#22c55e,color:#fff
    style F2 fill:#22c55e,color:#fff
    style F3 fill:#22c55e,color:#fff

Recreate戦略

新しいPodを作成する前にすべての古いPodを終了します（ダウンタイムが発生）。

spec:
  strategy:
    type: Recreate

戦略の比較

戦略	ダウンタイム	リソース使用	使用場面
RollingUpdate	なし	更新中は高い	本番環境
Recreate	あり	通常	開発、互換性のないバージョン

高度なRollingUpdate設定

spec:
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 25%        # パーセンテージまたは絶対数
      maxUnavailable: 25%
  minReadySeconds: 10      # 利用可能としてマークする前の待機時間
  progressDeadlineSeconds: 600  # 進行のタイムアウト

スケーリング

手動スケーリング

# Deploymentをスケール
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5

# ゼロにスケール（すべてのPodを停止）
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=0

# 複数のDeploymentをスケール
kubectl scale deployment nginx-deployment web-app --replicas=3

宣言的スケーリング

spec:
  replicas: 5  # この値を更新

kubectl apply -f deployment.yaml

Horizontal Pod Autoscaler（HPA）

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: web-app-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: web-app
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
    - type: Resource
      resource:
        name: cpu
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 70
    - type: Resource
      resource:
        name: memory
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 80

# 命令的にHPAを作成
kubectl autoscale deployment web-app --min=2 --max=10 --cpu-percent=70

# HPAステータスを表示
kubectl get hpa
kubectl describe hpa web-app-hpa

ローリングアップデート

コンテナイメージを更新

# イメージを更新
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.26

# 記録付きで更新（非推奨だが動作する）
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.26 --record

# 変更理由のアノテーションを使用して更新
kubectl annotate deployment/nginx-deployment kubernetes.io/change-cause="Update to nginx 1.26"

ロールアウトステータスを監視

# ロールアウトステータスを監視
kubectl rollout status deployment/nginx-deployment

# ロールアウト履歴を表示
kubectl rollout history deployment/nginx-deployment

# 特定のリビジョンを表示
kubectl rollout history deployment/nginx-deployment --revision=2

一時停止と再開

# ロールアウトを一時停止（複数の変更を行う）
kubectl rollout pause deployment/nginx-deployment

# 変更を行う
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.26
kubectl set resources deployment/nginx-deployment -c=nginx --limits=memory=256Mi

# ロールアウトを再開
kubectl rollout resume deployment/nginx-deployment

ロールバック

前のバージョンにロールバック

# 前のリビジョンにロールバック
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment

# 特定のリビジョンにロールバック
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment --to-revision=2

ロールバックワークフロー

flowchart LR
    V1["v1.0<br/>リビジョン 1"] --> V2["v1.1<br/>リビジョン 2"]
    V2 --> V3["v1.2<br/>リビジョン 3"]
    V3 -->|"ロールバック"| V2New["v1.1<br/>リビジョン 4"]

    style V1 fill:#6b7280,color:#fff
    style V2 fill:#6b7280,color:#fff
    style V3 fill:#ef4444,color:#fff
    style V2New fill:#22c55e,color:#fff

リビジョン履歴の管理

spec:
  revisionHistoryLimit: 10  # 最後の10個のReplicaSetを保持

Deploymentの操作

一般的なコマンド

# Deploymentを作成
kubectl apply -f deployment.yaml
kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.25

# Deploymentを一覧表示
kubectl get deployments
kubectl get deploy -o wide

# Deploymentを詳細表示
kubectl describe deployment nginx-deployment

# Deploymentを編集
kubectl edit deployment nginx-deployment

# Deploymentを削除
kubectl delete deployment nginx-deployment

ラベルとセレクタ

セレクタタイプ

# 等価ベースのセレクタ
selector:
  matchLabels:
    app: nginx
    environment: production

# 集合ベースのセレクタ
selector:
  matchLabels:
    app: nginx
  matchExpressions:
    - key: environment
      operator: In
      values: [production, staging]
    - key: version
      operator: NotIn
      values: [deprecated]

重要なラベルルール

ルール	説明
セレクタはテンプレートラベルと一致必須	Podテンプレートには一致するラベルが必要
セレクタは不変	作成後は変更不可
ラベルは更新可能	Podテンプレートラベルは更新可能

DaemonSetとStatefulSet

DaemonSet

各ノードで1つのPodが実行されることを保証します。

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: log-collector
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: log-collector
  template:
    metadata:
      labels:
        app: log-collector
    spec:
      containers:
        - name: fluentd
          image: fluentd:latest

StatefulSet

安定したネットワークIDとストレージを必要とするステートフルアプリケーション用。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: database
spec:
  serviceName: database
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: database
  template:
    metadata:
      labels:
        app: database
    spec:
      containers:
        - name: postgres
          image: postgres:15

比較

機能	Deployment	DaemonSet	StatefulSet
レプリカ	設定可能	ノードごとに1つ	設定可能
Pod名	ランダム	ランダム	順序付き（web-0、web-1）
ストレージ	共有	ノードごと	Podごと（永続）
更新	ローリング	ローリング	順序付き
使用例	ステートレスアプリ	ノードエージェント	データベース

ベストプラクティス

プラクティス	推奨事項
Deploymentを使用	素のPodやReplicaSetではなく
リソースリミットを設定	リソース枯渇を防止
ヘルスプローブを設定	適切なローリングアップデートを有効化
意味のあるラベルを使用	app、version、environment
リビジョン履歴を設定	ロールバックに十分な数を保持
maxUnavailable: 0を使用	ゼロダウンタイム更新のため

重要なポイント

Deploymentを使用 - ReplicaSetを管理し、更新/ロールバックを提供
RollingUpdateがデフォルト - ダウンタイムなしの段階的更新
プローブを設定 - 安全なローリングアップデートに必須
ロールアウトを監視 - kubectl rollout statusを使用
リビジョン履歴を保持 - 素早いロールバックを可能に
HPAを使用 - メトリクスに基づく自動スケーリング

次のステップ

次の記事では、アプリケーションを公開するためのKubernetes Serviceを解説します。

参考文献

The Kubernetes Book, 3rd Edition - Nigel Poulton
Kubernetes: Up and Running, 3rd Edition - Burns, Beda, Hightower
Kubernetes Deploymentドキュメント