【Redis】高级进阶

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本文专栏：《流行框架》
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删除策略

过期数据

Redis是一种内存级数据库，所有数据均存放在内存中，内存中的数据可以通过TTL指令获取其状态

• XX：具有时效性的数据
• -1：永久有效的数据
• -2：已经过期的数据 或 被删除的数据 或 未定义的数据

过期的数据真的删除了吗？

不会被立即删除，会根据对应的数据删除策略进行过期数据的删除

假如同时有大量数据过期，如果立即删除，将会占用CPU性能，影响用户的set和get操作，所以一般来说过期数据并不会立即删除

时效性数据的存储结构

在对redis中数据设置过期时间后，会在expires域中存储对应数据的内存地址和过期时间（以hash结构进行存储）

也就是说，进行过期设置后，和数据本身并没有直接关联

数据删除策略

• 定时删除
• 惰性删除
• 定期删除

数据删除策略的目标

在内存占用与CPU占用之间寻找一种平衡，顾此失彼都会造成整体redis性能的下降，甚至引发服务器宕机或内存泄漏

定时删除

• 创建一个定时器，当key设置有过期时间，且过期时间到达时，由定时器任务立即执行对键的删除操作
• 优点：节约内存，到时就删除，快速释放掉不必要的内存占用
• 缺点：CPU压力很大，无论CPU此时负载量多高，均会占用CPU，会影响redis服务器响应时间和指令吞吐量
• 总结：用处理器性能换取存储空间（时间换空间）

惰性删除

• 数据到达过期时间，不做处理，等下次访问数据（get操作）时删除
  • 如果未过期，返回数据
  • 发现已过期，删除，返回不存在
• 优点：节约CPU性能，发现必须删除的时候才删除
• 缺点：内存压力很大，出现长期占用内存的数据
• 总结：用存储空间换取处理器性能（空间换时间）

定期删除（折中方案）

• Redis启动服务器初始化时，读取配置server.hz的值，默认为10

• 每秒钟执行server.hz次以下方法
  serverCron()----->databasesCron----->activeExpireCycle()

• activeExpireCycle()对每个expires[*]逐一进行检测，每次执行250ms/server.hz（CPU性能的1/4）

• 对某个expires[*]检测时，随机挑选W个key进行检测

  • 如果key超时，删除key
  • 如果一轮中删除的key的数量>W*25%，循环该过程
  • 如果一轮中删除的key数量<=W*25%，检查下一个expires[*]，0-15循环
  • W取值=ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP属性值

• 参数current_db用于记录activeExpireCycle()进入哪个expires[*]执行

• 如果activeExpireCycle()执行时间到期，下次从currrent_db继续向下执行

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• 定期删除：周期性轮询redis库中的时效性数据，采用随机抽取的策略，利用过期数据占比的方式控制删除频度
• 特点
  • CPU性能占用设置有峰值，检测频度可自定义设置
  • 内存压力不是很大，长期占用内存的冷数据会持续清理
• 总结：周期性抽查存储空间（随机抽查，重点抽查）

数据淘汰策略

当新数据进入redis时，如果内存不足怎么办？

• Redis使用内存存储数据，在执行每一个命令前，会调用freeMemoryIfNeeded()检测内存是否充足。如果内存不满足新加入数据的最低存储要求，redis要临时删除一些数据为当前指令清理存储空间。清理数据的策略称为数据淘汰策略或逐出算法。
• 注意：逐出数据的过程不是100%能够清理出足够的可使用的内存空间，如果不成功则反复执行。当对所有数据尝试完毕，如不能达到内存清理的要求，将出现错误信息
  (error) OOM command not allowed when used memory > 'maxmemory'

影响数据淘汰的相关配置

• 最大可使用内存，即占用物理内存的比例，默认值为0，表示不限制。生产环境中根据需求设定，通常设置在50%以上
  maxmemory ?mb
• 每次选取待删除数据的个数，采用随机获取数据的方式作为待检测删除数据
  maxmemory-samples count
• 对数据进行删除的选择策略
  maxmemory-policy poicy

选择策略

• 检测易失数据（可能会过期的数据集server.db[i].expires ）
  ① volatile-lru：挑选最近最少使用的数据淘汰
  ② volatile-lfu：挑选最近使用次数最少的数据淘汰
  ③ volatile-ttl：挑选将要过期的数据淘汰(并未过期)
  ④ volatile-random：任意选择数据淘汰

• 检测全库数据（所有数据集server.db[i].dict ）
  ⑤ allkeys-lru：挑选最近最少使用的数据淘汰
  ⑥ allkeys-lfu：挑选最近使用次数最少的数据淘汰
  ⑦ allkeys-random：任意选择数据淘汰
• 放弃数据驱逐
  ⑧ no-enviction（驱逐）：禁止驱逐数据（redis4.0中默认策略），会引发错误OOM（Out Of Memory）

maxmemory-policy volatile-lru

数据逐出策略配置依据

连接redis客户端后，使用info命令输出监控信息，查询缓存 hit 和 miss 的次数，根据业务需求调优Redis配置

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主从复制

简介

互联网“三高”架构

• 高并发
• 高性能
• 高可用
  业界可用性目标5个9，即99.999%（一年中可用时长占全年时长的百分比），即服务器宕机时长低于315秒，约5.25分钟

单机redis的风险与问题

问题1：机器故障

• 现象：硬盘故障，系统崩溃
• 本质：数据丢失，很可能对业务造成灾难性打击
• 结论：基本上会放弃使用redis

问题2：容量瓶颈

• 现象：内存不足，从16G升级到64G，从64G升级到128G，无限升级内存
• 本质：穷，硬件条件跟不上
• 结论：放弃使用redis

结论

为了避免单点redis服务器故障，准备多台服务器，互相连通。将数据复制多个副本保存在不同的服务器上，连接在一起，并保证数据是同步的。即使有其中一台服务器宕机，其他服务器依然可以继续提供服务，实现redis的高可用，同时实现数据冗余备份

多台服务器连接方案

• 提供数据方：master

  主服务器，主节点，主库，主客户端

• 接收数据方：slave

  从服务器，从节点，从库，从客户端

• 需要解决的问题
  数据同步（master的数据复制到slave中）

主从复制

• 概念：主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave中
• 特征：一个master可以拥有多个slave，一个slave只对应一个master
• 职责
  • master
    • 写数据
    • 执行写操作时，将出现变化的数据自动同步到slave
    • 读数据（可忽略）
  • slave
    • 读数据
    • 写数据（禁止）

作用

• 读写分离：master写，slave读，提高服务器的读写负载能力
• 负载均衡：基于主从结构，配合读写分离，由slave分担master负载，并根据需求的变化，改变slave的数量，通过多个从节点分担数据读取负载，大大提高redis服务器的并发量与数据吞吐量
• 故障恢复：当master出现问题时，由slave提供服务，实现快速的故障恢复
• 数据冗余：实现数据热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式
• 高可用基石：基于主从复制，构建哨兵模式与集群，实现redis的高可用方案

工作流程

主从复制过程大体可以分为3个阶段

• 建立连接阶段（准备阶段）
• 数据同步阶段
• 命令传播阶段

阶段一：建立连接阶段

• 建立slave到master的连接，使master能够识别slave，并保存slave端口号

• 步骤1：设置master的地址和端口，保存master信息
• 步骤2：建立socket连接
• 步骤3：发送ping命令（定时器任务）
• 步骤4：身份验证
• 步骤5：发送slave端口信息

至此，主从连接成功

• 当前状态
  • slave：保存master的地址和端口
  • master：保存slave端口
  • 总体：二者创建了连接的socket

主从连接（slave连接master）

• 方式一：客户端发送命令
  slaveof masterip masterport
• 方式二：启动服务器参数
  redis-server --slaveof masterip masterport
• 方式三：服务器配置
  slaveof masterip masterport
• slave系统信息（info命令查看）
  • master_link_down_since_seconds
  • masterhost & masterport
• master系统信息（info命令查看）
  • slave_listening_port（多个）

断开主从连接

• 断开slave与master的连接，slave断开连接后，不会删除已有数据，只是不再接受master发送的数据
  slaveof no one

授权访问

• master客户端发送命令设置密码
  requirepass password
• master配置文件设置密码
  config set requirepass password
config get requirepass
• slave客户端发送命令设置密码
  auth password
• slave配置文件设置密码
  masterauth password
• slave启动服务器设置密码
  redis-server -a password

阶段二：数据同步阶段工作流程

• 在slave初次连接master后，复制master中的所有数据到slave
• 将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

• 步骤1：请求同步数据

• 步骤2：创建RDB同步数据

• 步骤3：恢复RDB同步数据

• 步骤4：请求部分同步数据

• 步骤5：恢复部分同步数据

  至此，数据同步工作完成

• 当前状态

  • slave：具有master端全部数据，包含RDB过程接收的数据
  • master：保存slave当前数据同步的位置
  • 总体：master、slave之间完成了数据克隆

slave刚连接master，master会将已有数据复制给slave，称为全量复制；在全量复制过程中，master中可能又会存入新的数据，将进入复制缓冲区，当全量复制完成，再将复制缓冲区的数据同步到slave，称为增量复制（部分复制）

数据同步阶段master说明

1. 如果master数据量巨大，数据同步阶段应避开流量高峰期，避免造成master阻塞，影响业务正常执行
2. 复制缓冲区大小设定不合理，会导致数据溢出。如进行全量复制周期太长（缓冲区已存满，继续存入将会造成数据丢失），进行部分复制时发现数据已经存在丢失情况，必须进行第二次全量复制，致使slave陷入死循环状态
3. 可使用下面的指令对复制缓冲区大小进行设置
   repl-backlog-size ?mb
4. master单机内存占用主机内存的比例不应该过大，建议使用50%_{70%的内存，留下30%}50%的内存用于执行bgsave命令和创建复制缓冲区

数据同步阶段slave说明

1. 为避免slave进行全量复制、部分复制时服务器响应阻塞或数据不同步，建议关闭此期间的对外服务
   slave-serve-stale-data yes|no
2. 数据同步阶段，master发送给slave信息可以理解为master是slave的一个客户端，主动向slave发送命令
3. 多个slave同时对master请求数据同步，master发送的RDB文件增多，会对宽带造成巨大冲击，如果master宽带不足，因此数据同步需要根据业务需求，适量错峰
4. slave过多时，建议调整拓扑结构，由一主多从结构变为树状结构，中间的节点既是master，也是slave。注意使用树状结构时，由于层级深度，导致深度越高的slave与最顶层master间数据同步延迟较大，数据一致性变差，应谨慎选择

阶段三：命令传播阶段

• 当master数据库状态被修改后，导致主从服务器数据库状态不一致，此时需要让主从数据同步到一致的状态，同步的动作称为命令传播
• master将接收到的数据变更命令发送给slave，slave接收命令后执行命令

命令传播阶段的部分复制

• 命令传播阶段出现了断网现象

  • 网络闪断闪连----------忽略
  • 短时间网络中断-------部分复制
  • 长时间网络中断-------全量复制

• 部分复制的三个核心要素

  • 服务器的运行id（run id）
  • 主服务器的复制积压缓冲区
  • 主从服务器的复制偏移量

服务器运行ID（runid）

• 概念：服务器运行id是每一台服务器每次运行的身份识别码，一台服务器多次运行可以生成多个运行id
• 组成：运行id由40位字符组成，是一个随机的十六进制字符
  例如：fdc9ff13b9bbaab28db42b3d50f852bb5e3fcdce
• 作用：运行id被用于在服务器间进行传输，识别身份
  如果想两次操作均对同一台服务器进行，必须每次操作携带对应的运行id，用于对方识别
• 实现方式：运行id在每台服务器启动时自动生成的，master在首次连接slave时，会将自己的运行id发送给slave，slave保存此id，通过info Server命令，可以查看节点的runid

复制（积压）缓冲区

• 概念：复制缓冲区，又名复制积压缓冲区，是一个先进先出（FIFO）的队列，用于存储服务器执行过的命令，每次传播命令，master都会将传播的命令记录下来，并存储在复制缓冲区
  • 复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M
  • 当入队元素的数量大于队列长度时，最先入队的元素会被弹出，而新元素会被放入队列
• 作用：用于保存master收到的所有指令（仅影响数据的指令，例如set，select）
• 数据来源：当master接收到主客户端的指令时，除了将指令执行，会将该指令存储到缓冲区中

内部工作原理

• 组成
  • 偏移量
  • 字节值
• 工作原理
  • 通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
  • master记录已发送的信息对应的offset
  • slave记录已接收的信息对应的offset

主从服务器复制偏移量（offset）

• 概念：一个数字，描述复制缓冲区中的指令字节位置
• 分类
  • master复制偏移量：记录发送给所有slave的指令字节对应的位置（多个）
  • slave复制偏移量：记录slave接收master发送过来的指令字节对应的位置（一个）
• 作用：同步信息，比对master与slave的差异，当slave断线后，恢复数据使用
• 数据来源
  • master端：发送一次记录一次
  • slave端：接收一次记录一次

数据同步+命令传播阶段工作流程

心跳机制

• 进入命令传播阶段后，master与slave间需要进行信息交换，使用心跳机制进行维护，实现双方连接保持在线
• master心跳
  • 内部指令：PING
  • 周期：由repl-ping-slave-period决定，默认10秒
  • 作用：判断slave是否在线
  • 查询：INFO replication 获取slave最后一次连接时间间隔，lag项维持在0或1视为正常
• slave心跳任务
  • 内部指令：REPLCONF ACK{offset}
  • 周期：1秒
  • 作用1：汇报slvae自己的复制偏移量，获取最新的数据变更指令
  • 作用2：判断master是否在线

心跳阶段注意事项

• 当slave多数掉线，或延迟过高时，master为保障数据稳定性，将拒绝所有信息同步操作
  min-slave-to-write 2
min-slave-max-lag 8
  slave数量少于2个，或者所有slave的延迟都大于等于8秒时，强制关闭master写功能，停止数据同步
• slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认
• slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

常见问题

频繁的全量复制（1）

伴随着系统的运行，master的数据量会越来越大，一旦master重启，runid将发生变化，会导致全部slave的全量复制操作

内部优化调整方案

1. master内部创建master_replid变量，使用runid相同的策略生成，长度41位，并发送给所有slave

2. 在master关闭时执行命令 shutdown save，进行RDB持久化，将runid与offset保存到RDB文件中

   • repl-id repl-offset
   • 通过redis-check-rdb命令可以查看该信息

3. master重启后加载RDB文件，恢复数据

   重启后，将RDB文件中保存的repl-id与repl-offset加载到内存中

   • master_repl_id = repl master_repl_offset = repl-offset
   • 通过info命令可以查看该信息

作用：本机保存上次runid，重启后恢复该值，使所有slave认为还是之前的master

频繁的全量复制（2）

• 问题现象：网络环境不佳，出现网络中断，slave不提供服务
• 问题原因：复制缓冲区过小，断网后slave的offset越界，触发全量复制
• 最终结果：slave反复进行全量复制
• 解决方案：修改复制缓冲区大小
  repl-backlog-size ?mb
• 建议设置如下
  1. 测算从master到slave的重连平均时长second
  2. 获取master平均每秒产生写命令数据总理write_size_per_second
  3. 最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

频繁的网络中断（1）

• 问题现象：master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接
• 问题原因
  • slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
  • 当slave接到了慢查询时（keys * ，hgetall等），会大量占用CPU性能
  • master每1秒调用复制定时函数replicationCron()，比对slave发现长时间没有进行响应
• 最终结果：master各种资源（输出缓冲区、宽带、连接等）被严重占用
• 解决方案：通过设置合理的超时时间，确认是否释放slave
  repl-timeout seconds
  该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave

频繁的网络中断（2）

• 问题现象：slave与master连接断开
• 问题原因
  • master发送ping指令频度较低
  • master设定超时时间较短
  • ping指令在网络中存在丢包
• 解决方案：提高ping指令发送的频度
  repl-ping-slave-period seconds
  超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5到10倍，否则slave很容易判定超时

数据不一致

• 问题现象：多个slave获取相同数据不同步
• 问题原因：网络信息不同步，数据发送有延迟
• 解决方案
  • 优化主从间的网络环境，通常放置在同一个机房部署，如使用阿里云等云服务器时要注意此现象
  • 监控主从节点延迟（通过offset）判断，如果slave延迟过大，暂时屏蔽程序对该slave的数据访问
    slave-serve-stale-data yes|no
    开启后仅响应info、slaveof等少数命令（慎用，除非对数据一致性要求很高）

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哨兵模式

简介

哨兵（sentinel）是一个分布式系统，用于对主从结构中的每台服务器进行监控，当出现故障时通过投票机制选择新的master并将所有slave连接到新的master

作用

• 监控
  • 不断地检查master和slave是否正常运行
  • master存活检测、master与slave运行情况检测
• 通知（提醒）：当被监控的服务器出现问题时，向其他（哨兵间，客户端）发送通知
• 自动故障转移：断开master与slave连接，选取一个slave作为master，将其他slave连接新的master，并告知客户端新的服务器地址

注意：哨兵也是一台redis服务器，只是不提供数据相关服务，通常哨兵的数量配置为单数

部署

• 配置一拖二的主从结构（模拟）
• 配置三个哨兵（配置相同，端口不同），参看sentinel.conf（模拟）
• 启动哨兵
  redis-sentinel filename.conf

配置哨兵

• 设置哨兵监听的主服务器信息，sentinel_number表示参与投票的哨兵数量（一般设置为哨兵数量的一半+1）
  sentinel monitor master_name master_host master_port sentinel_number
• 设置判定服务器宕机时长，该设置控制是否进行主从切换
  sentinel down-after-milliseconds master_name million_seconds
• 设置故障切换的最大超时时长
  sentinel failover-timeout master_name million_seconds
• 设置主从切换后，同时进行数据同步的slave数量，数值越大，要求网络资源越高，数值越小，同步时间越长
  sentinel parallel-syncs master_name sync_slave_number

port 26379
dir /data/26379                                        ####哨兵sentinel的工作目录
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2             #### 这行的意思是当有2个哨兵服务器认为master失联，那么这时客观上就认为主节点失联了。这里的按照所有的(哨兵节点/2)+1的个数来判断
sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000        #### 指定多少毫秒之后，主节点没有应答哨兵sentinel 此时，哨兵主观上认为主节点下线，默认是30秒
sentinel parallel-syncs mymaster 1                     #### 这个配置是指定了在发生failover主备切换时最多可以有多少个slave同时对新的master进行同步，如果这个数字越小，完成failover时间就越长，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#如果这个数字越大，对物理机的CPU、内存资源消耗的就越大。

sentinel failover-timeout mymaster 180000       
###故障转移的超时时间(1：同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间。
　　　　　　　　　　　#2：当一个slave从一个错误的master那里同步数据开始计算时间。直到slave被纠正为向正确master那里同步数据时。
　　　　　　　　　　　#3：当先要取消一个正在进行的failover所需要的时间，
　　　　　　　　　　　#4：当进行failover时，配置所有slave指向新的master所需要的最大时间。不过，即使过了这个超时，slaves依然被正确配置为执向master,但是就不按parallel-syncs所配置的规则) 

#以上配置就可以正常的启动哨兵

工作原理

• 哨兵在进行主从切换过程中经历三个阶段
  • 监控阶段
    • 同步信息
  • 通知阶段
    • 保持联通
  • 故障转移阶段
    • 发现问题，标记主观下线与客观下线
    • 竞选负责人
    • 优选新master
    • 新master上任，其他slave切换master，原master作为slave故障恢复后连接

阶段一：监控阶段

• 用于同步各个节点的状态信息
  • 获取各个sentinel的状态（是否在线）
  • 获取master的状态
    • master的属性
      • runid
      • role:master
    • 各个slave的详细信息
  • 获取所有slave的状态（根据master中的slave信息）
    • slave属性
      • runid
      • role:slave
      • master_host、master_port
      • offset
      • …

阶段二：通知阶段

哨兵内部互通消息，同步消息（所监控服务对应的状态）

阶段三：故障转移阶段

• 当某个sentinel检测到某服务故障之后，会把对应的故障服务标记为SRI_S_DOWN，并在对应的哨兵网中通知其他sentinel（主观下线）
• 其他sentinel接收到通知后，将会共同向对应服务发出消息(故障ip、端口、runid等等)，检查是否故障，如果确定故障，会将其标记为SRI_O_DOWN状态（客观下线）

• 在多个sentinel中，首先会在内部进行选举（谁先申请就选举谁），选出票多的作为本次处置中的领导
• 有可能存在一轮选举并没有选举出的情况（票数持平），将会重复重新进行选举

处置阶段

• 服务器列表中挑选备选master（排除）

  • 不在线的
  • 响应慢的
  • 与原master断开时间久的
  • 优先原则
    • 优先级
    • offset
    • runid

• 处置完成，发送指令（sentinel）

  • 向新的master发送slaveof no one
  • 向其他slave发送slaveof 新masterIP端口

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集群

业务发展过程中遇到的峰值瓶颈

• redis提供的服务OPS可以达到10万/秒，但是如果当前业务已经超过10万/秒
• 内存单机容量达到256G，但是当前业务需求内存容量1T
• 使用集群的方式可以快速解决上述问题

简介

• 集群就是使用网络将若干台计算机联通起来，并提供统一的管理方式，使其对外呈现单机的服务效果

作用

• 分散单台服务器的访问压力，实现负载均衡
• 分散单台服务器的存储压力，实现可扩展性
• 降低单台服务器宕机带来的业务灾难

数据结构

Redis是使用Cluster进行集群结构设计

单机

集群

• Redis提供一个CRC16函数将key转换成一个值（类似于hash值），再通过%16384得到一个数（对Redis进行16384的等分，每一份代表一个存储空间，每台计算机保存若干台空间），假设为37，这个37用来确定该数据在集群中存在的位置

• 如果一台计算机宕机，或者新加入一台计算机之后该怎么办？
• 假设，目前有三个台机器，现在又加了一台机器

• 将会在已有体系结构中的空间各自拿出来一部分（槽，可以理解为一个存储空间就是一个槽，一共16384个槽），放入新机器的存储空间
• 通过这种方式，增强了集群的可扩展性

集群内部通讯设计

• 各个数据库相互通信，保存各个库中槽的编号数据
• 假设现在来发过来一条指令key，如果在当前主机中存储，则直接命中，未在当前主机存储，则告知具体的存储位置，保障最多两次即可命中数据
  • 一次命中，直接返回
  • 一次未命中，告知具体位置

部署

• 配置服务器（3主3从）
• 建立通信（Meet）
• 分槽（Slot）
• 搭建主从（master-slave）

Cluster配置

• 是否启用cluster，加入cluster节点
  cluster-enabled yes|no
• cluster配置文件名，该文件属于自动生成，仅用于快速查找文件并查询文件内容
  cluster-config-file filename
• 节点服务响应超时时间，用于判定该节点是否下线或切换为从节点
  cluster-node-timeout milliseconds
• master连接的slave最小数量
  cluster-migration-barrier min_slave_number

Cluster节点操作命令（了解即可）

• 查看集群节点信息
  cluster nodes
• 更改slave指向新的master
  cluster replicate master-id
• 发现一个新节点，新增master
  cluster meet ip:port
• 忽略一个没有solt的节点
  cluster forget server_id
• 手动故障转移
  cluster failover

redis-cli命令

• 创建集群

  redis-cli --cluster create masterhost1:masterport1 masterhost2:masterport2
  masterhost3:masterport3 [masterhostn:masterportn ...] slavehost1:slaveport1
  slavehost2:slaveport2 slavehost3:slaveport3 --cluster-replicas n 
  

  • master与slave的数量要匹配，一个master对应n个slave，由最后的参数n决定
  • master与slave的匹配顺序为第一个master与前n个master分为一组，形成主从结构

配置文件

port 6501
dir "/redis/data"
dbfilename "dump-6501.rdb"
cluster-enabled yes
cluster-config-file "cluster-6501.conf"
cluster-node-timeout 5000

搭建集群后，存入key时会计算出该key应该存入哪个服务器，所以在连接客户端时应该redis-cli -c -h ip -p port，加上-c，表示以集群模式启动，将会在集群服务器客户端间实现自动切换，完成数据存储

节点操作

redis-cli命令

• 添加master到当前集群中，连接时可以指定任意现有节点地址与端口
  redis-cli --cluster add-node new-master-host:new-master-port now-host:now-port
• 添加slave
  redis-cli --cluster add-node new-slave-host:new-slave-port master-host:master-port --cluster-slave --cluster-master-id masterid
• 删除节点，如果删除的节点是master，必须保障其中没有槽slot
  redis-cli --cluster del-node del-slave-host:del-slave-port del-slave-id

添加master时，now-host:now-port随便输入一个已经添加到集群中的服务即可

但是新添加master后，并没有为其分槽，需要进行重新分槽操作

• 重新分槽，分槽是从具有槽的master中划分一部分给其他master，过程中不创建新的槽
  redis-cli --cluster reshard new-master-host:new-master-port --cluster-from src-master-id1,src-master-id2,src-master-idn --cluster-to target-master-id --cluster-slots slots
  • 将需要参与分槽的所有masterid不分先后顺序添加到参数中，使用,分隔
  • 指定目标得到的槽的数量，所有的槽将平均从每个来源的master处获取
• 重新分配槽，从具有槽的master中分配指定数量的槽到另一个master中，常用于清空指定master中的槽
  redis-cli --cluster reshard src-master-host:src-master-port --cluster-from src-master-id --cluster-to target-master-id --cluster-slots slots --cluster-yes

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企业级解决方案

缓存预热

缓存预热就是系统启动前，提前将相关的缓存数据直接加载到缓存系统。避免在用户请求的时候，先查询数据库，然后再将数据库缓存的问题！用户直接查询事先被预热的缓存数据

宕机

服务器启动后迅速宕机

问题排查

1. 请求数量较高
2. 主从之间数据吞吐量较大，数据同步操作频度较高

解决方案

前期准备工作

1. 日常例行统计数据访问记录，统计访问频度较高的热点数据
2. 利用LRU数据删除策略，构建数据留存队列
   例如：storm与kafka配合

准备工作

1. 将统计结果中的数据分类，根据级别，redis优先加载级别较高的热点数据
2. 利用分布式多服务器同时进行数据读取，提速数据加载过程
3. 热点数据主从同时预热

实施

1. 使用脚本程序固定触发数据预热过程
2. 如果条件允许，使用了CDN（内容分发网络），效果会更好

缓存雪崩

缓存雪崩就是瞬间过期数据量太大，导致对数据库服务器造成压力。如能够有效避免过期时间集中，可以有效解决雪崩现象的出现（约40%），配合其他策略一起使用，并监控服务器的运行数据，根据运行记录做快速调整

数据库服务器崩溃（1）

1. 系统平稳运行过程中，忽然数据库连接量激增
2. 应用服务器无法及时处理请求
3. 大量408，500错误页面出现
4. 客户反复刷新页面获取数据
5. 数据库崩溃
6. 应用服务器崩溃
7. 重启应用服务器无效
8. Redis服务器崩溃
9. Redis集群崩溃
10. 重启数据库后再次被瞬间流量放倒

问题排查

1. 在一个较短的时间内，缓存中较多的key集中过期
2. 此周期内请求访问过期的数据，redis未命中，redis向数据库获取数据
3. 数据库同时接收到大量的请求无法及时处理
4. Redis大量请求被积压，开始出现超时现象
5. 数据库流量激增，数据库崩溃
6. 重启后仍然面对缓存中无数据可用
7. Redis服务器资源被严重占用，Redis服务器崩溃
8. Redis集群呈现崩塌，集群瓦解
9. 应用服务器无法及时得到数据响应请求，来自客户端的请求数量越来越多，应用服务器崩溃
10. 应用服务器，redis，数据库全部重启，效果不理想

问题分析

• 短时间范围内
• 大量key集中过期

解决方案（道）

1. 更多的页面静态化处理
2. 构建多级缓存架构
   Nginx缓存+redis缓存+ehcache缓存
3. 检测Mysql严重耗时业务进行优化
   对数据库的瓶颈排查：例如超时查询、耗时较高事务等
4. 灾难预警机制
   监控redis服务器性能指标
   • CPU占用、CPU使用率
   • 内存容量
   • 查询平均响应时间
   • 线程数
5. 限流、降级
   短时间范围内牺牲一些客户体验，限制一部分请求访问，降低应用服务器压力，待业务低俗运转后再逐步放开访问

解决方案（术）

1. LRU与LFU切换
2. 数据有效期策略调整
   • 根据业务数据有效期进行分类错峰，A类90分钟，B类80分钟，C类70分钟
   • 过期时间使用固定时间+随机值的形式，稀释集中到期的key的数量
3. 超热数据使用永久key
4. 定期维护（自动+人工）
   对即将过期数据做访问量分析，确认是否延时，配合访问量统计，做热点数据的延时
5. 加锁
   慎用！

缓存击穿

缓存击穿就是单个高热数据过期的瞬间，数据访问量较大，未命中redis后，发起了大量对统一数据的数据库访问，导致对数据库服务器造成压力。应对策略应该在业务数据分析与预防方面进行，配合运行监控测试与即时调整策略，毕竟单个key的过期监控难度较高，配合雪崩处理策略即可

数据库服务器崩溃（2）

1. 系统平稳运行过程中
2. 数据库连接量瞬间激增
3. Redis服务器无大量key过期
4. Redis内存平稳，无波动
5. Redis服务器CPU正常
6. 数据库崩溃

问题排查

1. Redis中某个key过期，该key访问量巨大
2. 多个数据请求从服务器直接压到Redis后，均为命中
3. Redis在短时间内发起了大量对数据库中同一数据的访问

问题分析

• 单个key高热数据
• key过期

解决方案（术）

1. 预先设定
   以电商为例，每个商家根据店铺等级，指定若干款主打商品，在购物节期间，加大此类信息key的过期时长
   注意：购物节不仅仅指当天，以及后续若干天，访问峰值呈现逐渐降低的趋势
2. 现场调整
   监控访问量，对自然流量激增的数据延长过期时间获设置为永久性key
3. 后台刷新数据
   启动定时任务，高峰期来临之前，刷新数据有效期，确保不丢失
4. 二级缓存
   设置不同的失效时间，保障不会被同时淘汰就行
5. 加锁
   分布式锁，防止被击穿，但是要注意也是性能瓶颈，慎重！

缓存穿透

缓存穿透访问了不存在的数据，跳过了合法数据的redis数据缓存阶段，每次访问数据库，导致对数据库服务器造成压力。通常此类数据的出现量是一个较低的值，当出现此类情况以毒攻毒，并及时报警。应对策略应该在临时预案防范方面多做文章

无论黑名单还是白名单，都是对整体系统的压力，警报解除后尽快移除

数据库服务器崩溃（3）

1. 系统平稳运行过程中
2. 应用服务器流量随时间增量较大
3. Redis服务器命中率随时间逐步降低
4. Redis内存平稳，内存无压力
5. Redis服务器CPU占用激增
6. 数据库服务器压力激增
7. 数据库崩溃

问题排查

1. Redis中大面积出现未命中
2. 出现非正常URL访问（访问的key根本不存在）

问题分析

• 获取的数据在数据库中也不存在，数据库查询未得到对应数据
• Redis获取到null数据未进行持久化，直接返回
• 下次此类数据到达重复上述过程
• 出现黑客攻击服务器

解决方案（术）

1. 缓存null
   对查询结构为null的数据进行缓存（长期使用，定期清理），设定短时限，例如30~60秒，最高5分钟
2. 白名单策略
   • 提前预热各种分类数据id对应的bitmaps，id作为bitmaps的offset，相当于设置了数据白名单。当加载正常数据时放行，加载异常数据时直接拦截（效率偏低）
   • 使用布隆过滤器（有关布隆过滤器的命中问题对当前状况可以忽略）
3. 实施监控
   实时监控redis命中率（业务正常范围时，通常会有一个波动值）与null数据的占比
   • 非活动时段波动：通常检测3-5倍，超出5倍纳入重点排查对象
   • 活动时段波动：通常检测10-50倍，超过50倍纳入重点排查对象
     根据倍数不同，启动不同的排查流程。然后使用黑名单进行防控（运营）
4. key加密
   问题出现后，临时启动防灾业务key，对key进行业务层传输加密服务，设定校验程序，过来的key校验
   例如每天随机分配60个加密串，挑选2到3个，混淆到页面数据id中，发现访问key不满足规则，驳回数据访问

性能指标监控

监控指标

• 性能指标：Performance
• 内存指标：Memory
• 基本活动指标：Basic_activity
• 持久性指标：Persistence
• 错误指标：Error

监控指标——性能指标（Performance）

• 响应请求的平均时间
  latency
• 平均每秒处理请求总数量
  instantaneous_ops_per_sec
• 缓存查询命中率（通过查询总次数与查询得到非nil数据总次数计算而来）
  hit_rate(calculated)

监控指标——内存指标（Memory）

• 当前内存使用量
  used_memory
• 内存碎片率（关系到是否进行碎片整理）
  mem_fragmentation_ratio
• 为避免内存溢出删除的key的总数量
  evicted_keys
• 基于阻塞操作（BLPOP等）影响的客户端数量
  blocked_clients

监控指标——基础活动指标（Basic_activity）

• 当前客户端连接总数
  connected_clients
• 当前连接slave总数
  connected_slaves
• 最后一次主从信息交换距现在的秒数
  master_last_io_seconds_ago
• key的总数
  keyspace

监控指标——持久化指标（Persistence）

• 当前服务器最后一次RDB持久化的时间
  rdb_last_save_time
• 当前服务器最后一次RDB持久化后数据变化总量
  rdb_changes_since_last_save

监控指标——错误指标（Error）

• 被拒绝连接的客户端总数（基于达到最大连接值的因素）
  rejected_connections
• key未命中的总次数
  keyspace_misses
• 主从断开的秒数
  master_link_down_since_seconds

监控方式

• 工具
  • Cloud Insight Redis
  • Prometheus
  • Redis-stat
  • Redis-faina
  • RedisLive
  • zabbix
• 命令
  • benchmark
  • redis-cli
    • monitor
    • slowlog

benchmark

• 测试当前服务器的并发性能
  redis-benchmark [-h] [-p] [-c] [-n [-k]
• 范例1：50个连接，10000次请求对应的性能
  redis-benchmark
• 范例2：100个连接，5000次请求对应的性能
  redis-benchmark -c 100 -n 5000

monitor

• 启动服务器调试信息
  monitor

slowlog

• 获取慢查询日志
  slowlog [operator]
  • get：获取慢查询日志信息
  • len：获取慢查询日志条目数
  • reset：重置慢查询日志
• 相关配置
  slowlog-log-slower-than 1000 # 设置慢查询的时间下限，单位：微秒
slowlog-max-len 100 # 设置慢查询命令对应的日志显示长度，单位：命令数

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