Redis分片集群搭建及其原理
Redis分片集群搭建及其原理
- 1.Redis分片集群
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- 1.1.搭建分片集群
- 1.2.准备实例和配置
- 1.3.启动
- 1.4.创建集群
- 1.5.测试
- 2.散列插槽原理
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- 2.1.插槽原理
- 2.2.小结
- 3.集群伸缩
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- 3.1.需求分析
- 3.2.创建新的redis实例
- 3.3.添加新节点到redis
- 3.4.转移插槽
- 4.故障转移
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- 4.1.自动故障转移
- 4.2.手动故障转移
- 5.RedisTemplate访问分片集群
1.Redis分片集群
1.1.搭建分片集群
主从和哨兵可以解决高可用、高并发读的问题。但是依然有两个问题没有解决：
-
海量数据存储问题
-
高并发写的问题
使用分片集群可以解决上述问题，如图:
分片集群特征：
-
集群中有多个master，每个master保存不同数据
-
每个master都可以有多个slave节点
-
master之间通过ping监测彼此健康状态
-
客户端请求可以访问集群任意节点，最终都会被转发到正确节点
分片集群需要的节点数量较多，这里我们搭建一个最小的分片集群，包含3个master节点，每个master包含一个slave节点，结构如下：
这里我们会在同一台虚拟机中开启6个redis实例，模拟分片集群，信息如下：
| IP | PORT | 角色 |
|---|---|---|
| 192.168.150.101 | 7001 | master |
| 192.168.150.101 | 7002 | master |
| 192.168.150.101 | 7003 | master |
| 192.168.150.101 | 8001 | slave |
| 192.168.150.101 | 8002 | slave |
| 192.168.150.101 | 8003 | slave |
1.2.准备实例和配置
删除之前的7001、7002、7003这几个目录，重新创建出7001、7002、7003、8001、8002、8003目录：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 删除旧的，避免配置干扰
rm -rf 7001 7002 7003
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003 8001 8002 8003
在/tmp下准备一个新的redis.conf文件，内容如下：
port 6379
# 开启集群功能
cluster-enabled yes
# 集群的配置文件名称，不需要我们创建，由redis自己维护
cluster-config-file /tmp/6379/nodes.conf
# 节点心跳失败的超时时间
cluster-node-timeout 5000
# 持久化文件存放目录
dir /tmp/6379
# 绑定地址
bind 0.0.0.0
# 让redis后台运行
daemonize yes
# 注册的实例ip
replica-announce-ip 192.168.150.101
# 保护模式
protected-mode no
# 数据库数量
databases 1
# 日志
logfile /tmp/6379/run.log
将这个文件拷贝到每个目录下：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 执行拷贝
echo 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -t -n 1 cp redis.conf
修改每个目录下的redis.conf，将其中的6379修改为与所在目录一致：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 修改配置文件
printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t sed -i 's/6379/{}/g' {}/redis.conf
1.3.启动
因为已经配置了后台启动模式，所以可以直接启动服务：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 一键启动所有服务
printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t redis-server {}/redis.conf
通过ps查看状态：
ps -ef | grep redis
发现服务都已经正常启动：
如果要关闭所有进程，可以执行命令：
ps -ef | grep redis | awk '{print $2}' | xargs kill
或者（推荐这种方式）：
printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown
1.4.创建集群
虽然服务启动了，但是目前每个服务之间都是独立的，没有任何关联。
我们需要执行命令来创建集群，在Redis5.0之前创建集群比较麻烦，5.0之后集群管理命令都集成到了redis-cli中。
1）Redis5.0之前
Redis5.0之前集群命令都是用redis安装包下的src/redis-trib.rb来实现的。因为redis-trib.rb是由ruby语言编写的所以需要安装ruby环境。
# 安装依赖
yum -y install zlib ruby rubygems
gem install redis
然后通过命令来管理集群：
# 进入redis的src目录
cd /tmp/redis-6.2.4/src
# 创建集群
./redis-trib.rb create --replicas 1 192.168.150.101:7001 192.168.150.101:7002 192.168.150.101:7003 192.168.150.101:8001 192.168.150.101:8002 192.168.150.101:8003
2）Redis5.0以后
我们使用的是Redis6.2.4版本，集群管理以及集成到了redis-cli中，格式如下：
redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.150.101:7001 192.168.150.101:7002 192.168.150.101:7003 192.168.150.101:8001 192.168.150.101:8002 192.168.150.101:8003
命令说明：
redis-cli --cluster或者./redis-trib.rb：代表集群操作命令create：代表是创建集群--replicas 1或者--cluster-replicas 1：指定集群中每个master的副本个数为1，此时节点总数 ÷ (replicas + 1)得到的就是master的数量。因此节点列表中的前n个就是master，其它节点都是slave节点，随机分配到不同master
运行后的样子：
这里输入yes，则集群开始创建：
通过命令可以查看集群状态：
redis-cli -p 7001 cluster nodes
1.5.测试
尝试连接7001节点，存储一个数据：
# 连接
redis-cli -p 7001
# 存储数据
set num 123
# 读取数据
get num
# 再次存储
set a 1
结果悲剧了：
这是因为a键在别的节点set过了
集群操作时，需要给redis-cli加上-c参数才可以：
redis-cli -c -p 7001
这次可以了：
2.散列插槽原理
2.1.插槽原理
Redis会把每一个master节点映射到0~16383共16384个插槽（hash slot）上，查看集群信息时就能看到：
数据key不是与节点绑定，而是与插槽绑定。redis会根据key的有效部分计算插槽值，分两种情况：
- key中包含"{}"，且“{}”中至少包含1个字符，“{}”中的部分是有效部分
- key中不包含“{}”，整个key都是有效部分
例如：key是num，那么就根据num计算，如果是{zqd}num，则根据zqd计算。计算方式是利用CRC16算法得到一个hash值，然后对16384取余，得到的结果就是slot值。
如图，在7001这个节点执行set a 1时，对a做hash运算，对16384取余，得到的结果是15495，因此要存储到103节点。
到了7003后，执行get num时，对num做hash运算，对16384取余，得到的结果是2765，因此需要切换到7001节点
2.2.小结
Redis如何判断某个key应该在哪个实例？
- 将16384个插槽分配到不同的实例
- 根据key的有效部分计算哈希值，对16384取余
- 余数作为插槽，寻找插槽所在实例即可
如何将同一类数据固定的保存在同一个Redis实例？
- 这一类数据使用相同的有效部分，例如key都以{typeId}为前缀
3.集群伸缩
redis-cli --cluster提供了很多操作集群的命令，可以通过下面方式查看：
比如，添加节点的命令：
3.1.需求分析
需求：向集群中添加一个新的master节点，并向其中存储 num = 10
- 启动一个新的redis实例，端口为7004
- 添加7004到之前的集群，并作为一个master节点
- 给7004节点分配插槽，使得num这个key可以存储到7004实例
这里需要两个新的功能：
- 添加一个节点到集群中
- 将部分插槽分配到新插槽
3.2.创建新的redis实例
创建一个文件夹：
mkdir 7004
拷贝配置文件：
cp redis.conf /7004
修改配置文件：
sed /s/6379/7004/g 7004/redis.conf
启动
redis-server 7004/redis.conf
3.3.添加新节点到redis
添加节点的语法如下：
执行命令：
redis-cli --cluster add-node 192.168.150.101:7004 192.168.150.101:7001
通过命令查看集群状态：
redis-cli -p 7001 cluster nodes
如图，7004加入了集群，并且默认是一个master节点：
但是，可以看到7004节点的插槽数量为0，因此没有任何数据可以存储到7004上
3.4.转移插槽
我们要将num存储到7004节点，因此需要先看看num的插槽是多少：
如上图所示，num的插槽为2765.
我们可以将0~3000的插槽从7001转移到7004，命令格式如下：
具体命令如下：
建立连接：
得到下面的反馈：
询问要移动多少个插槽，我们计划是3000个：
新的问题来了：
那个node来接收这些插槽？？
显然是7004，那么7004节点的id是多少呢？
复制这个id，然后拷贝到刚才的控制台后：
这里询问，你的插槽是从哪里移动过来的？
- all：代表全部，也就是三个节点各转移一部分
- 具体的id：目标节点的id
- done：没有了
这里我们要从7001获取，因此填写7001的id：
填完后，点击done，这样插槽转移就准备好了：
确认要转移吗？输入yes：
然后，通过命令查看结果：
可以看到：
目的达成。
4.故障转移
集群初识状态是这样的：
其中7001、7002、7003都是master，我们计划让7002宕机。
4.1.自动故障转移
当集群中有一个master宕机会发生什么呢？
直接停止一个redis实例，例如7002：
redis-cli -p 7002 shutdown
1）首先是该实例与其它实例失去连接
2）然后是疑似宕机：
3）最后是确定下线，自动提升一个slave为新的master：
4）当7002再次启动，就会变为一个slave节点了：
4.2.手动故障转移
利用cluster failover命令可以手动让集群中的某个master宕机，切换到执行cluster failover命令的这个slave节点，实现无感知的数据迁移。其流程如下：
这种failover命令可以指定三种模式：
- 缺省：默认的流程，如图1~6歩
- force：省略了对offset的一致性校验
- takeover：直接执行第5歩，忽略数据一致性、忽略master状态和其它master的意见
案例需求：在7002这个slave节点执行手动故障转移，重新夺回master地位
步骤如下：
1）利用redis-cli连接7002这个节点
2）执行cluster failover命令
如图：
效果：
5.RedisTemplate访问分片集群
RedisTemplate底层同样基于lettuce实现了分片集群的支持，而使用的步骤与哨兵模式基本一致：
1）引入redis的starter依赖
2）配置分片集群地址
3）配置读写分离
与哨兵模式相比，其中只有分片集群的配置方式略有差异，如下：
spring:
redis:
cluster:
nodes:
- 192.168.150.101:7001
- 192.168.150.101:7002
- 192.168.150.101:7003
- 192.168.150.101:8001
- 192.168.150.101:8002
- 192.168.150.101:8003