Redis学习（四）——主从复制、哨兵模式、缓存击穿、穿透、雪崩

1. 主从复制

1.1 概述

主从复制，是指将一台 Redis 服务器的数据，复制到其他的 Redis 服务器。前者称为主节点（master / leader），后者称为从节点（slave / follower）。数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。Master 以写为主，Slave 以读为主。一个主节点可以有多个从节点（或没有从节点），但一个从节点只能有一个主节点。默认情况下，每台 Redis 服务器都是主节点。

1.2 作用

1. 数据冗余
   主从复制实现了数据的热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式。

2. 故障恢复
   当主节点出现问题时，可以由从节点提供服务，实现快速的故障恢复。这也是一种服务的冗余。

3. 负载均衡
   在主从复制的基础上，配合读写分离，可以由主节点提供写服务，由从节点提供读服务，分担服务器负载。尤其是在写少读多的场景下，通过多个从节点分担读负载，可以大大提高 Redis 服务器的并发量。

4. 高可用
   主从复制是哨兵和集群能够实施的基础，因此说主从复制是 Redis 高可用的基础。
   一般来说，要将 Redis 运用于工程项目中，只使用一台 Redis 是万万不能的，原因如下：
   结构上：单个 Redis 服务器会发生单点故障，并且一台服务器需要处理所有的请求负载，压力较大。
   容量上：单个 Redis 服务器内存容量有限，一般来说，单台 Redis 最大使用内存不应该超过 20G。

2. 哨兵模式

主从切换技术的操作是：当主机宕机后，需要手动把一台从机切换为主机。这就需要人工干预，费事费力，还会造成一段时间内服务不可用。

这不是一种推荐的方式，更多时候，我们优先考虑哨兵模式。Redis 从 2.8 开始正式提供了 Sentinel（哨兵） 架构来解决这个问题。它能够后台监控主机是否故障，如果故障了根据投票数自动将从机转换为主机。

哨兵模式是一种特殊的模式，首先 Redis 提供了哨兵的命令，哨兵是一个独立的进程，它会独立运行。其原理是哨兵通过发送命令，等待 Redis 服务器响应，从而监控运行的多个 Redis 实例。

这里的哨兵有两个作用：

1. 通过发送命令，让 Redis 服务器返回监控其运行状态，包括主机和从机。

2. 当哨兵监测到 master 宕机，会自动将 slave 切换成 master，然后通过发布订阅模式通知其他的从机，修改配置文件，让它们切换主机。

然而一个哨兵进程对 Redis 服务器进行监控，可能会出现问题，为此，我们可以使用多个哨兵进行监控。

各个哨兵之间还会进行监控，这样就形成了多哨兵模式。

假设主机宕机，哨兵 1 先检测到这个结果，系统并不会马上进行 failover（故障转移） 过程，仅仅是哨兵 1 主观的认为主机不可用，这个现象称为主观下线。

当后面的哨兵也检测到主机不可用，并且数量达到一定值时，哨兵之间就会进行一次投票，投票的结果由一个哨兵发起，进行 failover 操作。

切换成功后，就会通过发布订阅模式，让各个哨兵把自己监控的从机实现切换主机，这个过程称为客观下线。

3. 缓存穿透

3.1 描述

Redis 缓存的使用，极大的提升了应用程序的性能和效率，特别是数据查询方面。但同时，它也带来了一些问题。其中，最要害的问题，就是数据的一致性问题，从严格意义上讲，这个问题无解。如果对数据的一致性要求很高，那么就不能使用缓存。

一般的使用缓存的系统逻辑如下：

1. 查询一个数据，先到缓存中查询。

2. 如果缓存中存在，则返回。

3. 如果缓存中不存在，则到数据库查询。

4. 如果数据库中存在，则返回数据，且存到缓存。

5. 如果数据库中不存在，则返回空值。

缓存穿透出现的情况就是数据库和缓存中都没有。这样缓存就不能拦截，数据库中查不到值也就不能存到缓存。这样每次这样查询都会到数据库，相当于直达了，即穿透。这样会给数据库造成很大的压力。

3.2 解决方案

1. 布隆过滤器
   布隆过滤器是一种数据结构，对所有可能查询的参数以 hash 形式存储，在控制层先进行校验，不符合则丢弃，从而避免了对底层存储系统的查询压力。
2. 缓存空对象
   当存储层不命中后，即使返回的空对象也将其缓存起来，同时会设置一个过期时间，之后再访问这个数据将会从缓存中获取，保护了后端数据源。

4. 缓存击穿

4.1 描述

缓存击穿，是指一个 key 非常热点，在不停的扛着大并发，大并发集中对这一个点进行访问。当这个 key 在失效的瞬间，持续的大并发就穿破缓存，直接请求数据库，就像在一个屏障上凿开了一个洞。当某个 key 在过期的瞬间，有大量的请求并发访问，这类数据一般是热点数据。由于缓存过期，会同时访问数据库来查询最新数据，并且回写缓存，会导使数据库瞬间压力过大。

4.2 解决方案

1. 设置热点数据永不过期
   从缓存层面来看，没有设置过期时间，所以不会出现热点 key 过期后产生的问题。

2. 加互斥锁
   分布式锁：使用分布式锁，保证对于每个 key 同时只有一个线程去查询后端服务，其他线程没有获得分布式锁的权限，因此只能等待。这种方式将高并发的压力转移到了分布式锁，因此对分布式锁的考验很大。

5. 缓存雪崩

5.1 描述

缓存雪崩，是指在某一个时间段，缓存集中过期失效。产生雪崩的原因之一，比如马上就要到双十一零点，很快就会迎来一波抢购。这波商品时间比较集中的放入了缓存，假设缓存一个小时。那么到了凌晨一点钟的时候，这批商品的缓存就都过期了。而对这批商品的访问查询，都落到了数据库上，对于数据库而言，就会产生周期性的压力波峰。于是所有的请求都会达到存储层，存储层的调用量会暴增，造成存储层也会挂掉的情况。缓存服务节点的宕机，对数据库服务器造成的压力是不可预知的，很有可能瞬间就把数据库压垮。

5.2 解决方案

1. 搭建集群
   实现 Redis 的高可用，既然一台服务有可能挂掉，那就多增设几台服务。这样一台挂掉之后其他的还可以继续工作，其实就是搭建的集群。

2. 限流降级
   在缓存失效后，通过加锁或者队列来控制读数据库写缓存的线程数量。比如对某个 key 只允许一个线程查询数据和写缓存，其他线程等待。

3. 数据预热
   数据加热的含义就是在正式部署之前，先把可能的数据先预先访问一遍，这样部分可能大量访问的数据就会加载到缓存中。在即将发生大并发访问前手动触发加载缓存不同的 key，设置不同的过期时间，让缓存失效的时间尽量均匀。