redis-集群切片

切片集群

我曾遇到过这么一个需求：要用 Redis 保存 5000 万个键值对，每个键值对大约是 512B，为了能快速部署并对外提供服务，我们采用云主机来运行 Redis 实例，那么，该如何选择云主机的内存容量呢？

在使用的过程中，我发现，Redis 的响应有时会非常慢。后来，我们使用 INFO 命令查看 Redis 的 latest_fork_usec 指标值（表示最近一次 fork 的耗时），结果显示这个指标值特别高，快到秒级别了。这跟 Redis 的持久化机制有关系。在使用 RDB 进行持久化时，Redis 会 fork 子进程来完成，fork 操作的用时和 Redis 的数据量是正相关的，而 fork 在执行时会阻塞主线程。数据量越大，fork 操作造成的主线程阻塞的时间越长。所以，在使用 RDB 对 25GB 的数据进行持久化时，数据量较大，后台运行的子进程在 fork 创建时阻塞了主线程，于是就导致 Redis 响应变慢了。
这个时候，我们注意到了 Redis 的切片集群。虽然组建切片集群比较麻烦，但是它可以保存大量数据，而且对 Redis 主线程的阻塞影响较小。
切片集群，也叫分片集群，就是指启动多个 Redis 实例组成一个集群，然后按照一定的规则，把收到的数据划分成多份，每一份用一个实例来保存；

在切片集群中，实例在为 5GB 数据生成 RDB 时，数据量就小了很多，fork 子进程一般不会给主线程带来较长时间的阻塞。采用多个实例保存数据切片后，我们既能保存 25GB 数据，又避免了 fork 子进程阻塞主线程而导致的响应突然变慢。在实际应用 Redis 时，随着用户或业务规模的扩展，保存大量数据的情况通常是无法避免的。而切片集群，就是一个非常好的解决方案。这节课，我们就来学习一下

Redis 数据量增多处理

Redis 应对数据量增多的两种方案：纵向扩展（scale up）和横向扩展（scale out）

纵向扩展：升级单个 Redis 实例的资源配置，包括增加内存容量、增加磁盘容量、使用更高配置的 CPU。就像下图中，原来的实例内存是 8GB，硬盘是 50GB，纵向扩展后，内存增加到 24GB，磁盘增加到 150GB。

横向扩展：横向增加当前 Redis 实例的个数，就像下图中，原来使用 1 个 8GB 内存、50GB 磁盘的实例，现在使用三个相同配置的实例。

• 纵向扩展好处和缺点
  首先，纵向扩展的好处是，实施起来简单、直接。不过，这个方案也面临两个潜在的问题。第一个问题是，当使用 RDB 对数据进行持久化时，如果数据量增加，需要的内存也会增加，主线程 fork 子进程时就可能会阻塞（比如刚刚的例子中的情况）。不过，如果你不要求持久化保存 Redis 数据，那么，纵向扩展会是一个不错的选择。

• 纵向扩展好处和缺点
  这时，你还要面对第二个问题：纵向扩展会受到硬件和成本的限制。这很容易理解，毕竟，把内存从 32GB 扩展到 64GB 还算容易，但是，要想扩充到 1TB，就会面临硬件容量和成本上的限制了。在面向百万、千万级别的用户规模时，横向扩展的 Redis 切片集群会是一个非常好的选择

数据切片后，在多个实例之间如何分布

客户端怎么确定想要访问的数据在哪个实例上？接下来，我们就一个个地解决

Redis Cluster 集群 哈希槽

从 3.0 开始，官方提供了一个名为 Redis Cluster 的方案，用于实现切片集群。Redis Cluster 方案中就规定了数据和实例的对应规则。
具体来说，Redis Cluster 方案采用哈希槽（Hash Slot，接下来我会直接称之为 Slot），来处理数据和实例之间的映射关系。在 Redis Cluster 方案中，一个切片集群共有 16384 个哈希槽，这些哈希槽类似于数据分区，每个键值对都会根据它的 key，被映射到一个哈希槽中。

首先根据键值对的 key，按照CRC16 算法计算一个 16 bit 的值；然后，再用这个 16bit 值对 16384 取模，得到 0~16383 范围内的模数，每个模数代表一个相应编号的哈希槽。

我们在部署 Redis Cluster 方案时，可以使用 cluster create 命令创建集群，此时，Redis 会自动把这些槽平均分布在集群实例上。例如，如果集群中有 N 个实例，那么，每个实例上的槽个数为 16384/N 个。
当然， 我们也可以使用 cluster meet 命令手动建立实例间的连接，形成集群，再使用 cluster addslots 命令，指定每个实例上的哈希槽个数。

在手动分配哈希槽时，需要把 16384 个槽都分配完，否则 Redis 集群无法正常工作

假设集群中不同 Redis 实例的内存大小配置不一，如果把哈希槽均分在各个实例上，在保存相同数量的键值对时，和内存大的实例相比，内存小的实例就会有更大的容量压力。遇到这种情况时，你可以根据不同实例的资源配置情况，使用 cluster addslots 命令手动分配哈希槽。

示意图中的切片集群一共有 3 个实例，同时假设有 5 个哈希槽，我们首先可以通过下面的命令手动分配哈希槽：实例 1 保存哈希槽 0 和 1，实例 2 保存哈希槽 2 和 3，实例 3 保存哈希槽 4。

redis-cli -h 172.16.19.3 –p 6379 cluster addslots 0,1
redis-cli -h 172.16.19.4 –p 6379 cluster addslots 2,3
redis-cli -h 172.16.19.5 –p 6379 cluster addslots 4

在集群运行的过程中，key1 和 key2 计算完 CRC16 值后，对哈希槽总个数 5 取模，再根据各自的模数结果，就可以被映射到对应的实例 1 和实例 3 上了

客户端如何定位数据

在定位键值对数据时，它所处的哈希槽是可以通过计算得到的，这个计算可以在客户端发送请求时来执行。但是，要进一步定位到实例，还需要知道哈希槽分布在哪个实例上。

一般来说，客户端和集群实例建立连接后，实例就会把哈希槽的分配信息发给客户端。但是，在集群刚刚创建的时候，每个实例只知道自己被分配了哪些哈希槽，是不知道其他实例拥有的哈希槽信息的。

那么，客户端为什么可以在访问任何一个实例时，都能获得所有的哈希槽信息呢？这是因为，Redis 实例会把自己的哈希槽信息发给和它相连接的其它实例，来完成哈希槽分配信息的扩散。当实例之间相互连接后，每个实例就有所有哈希槽的映射关系了;

客户端收到哈希槽信息后，会把哈希槽信息缓存在本地。当客户端请求键值对时，会先计算键所对应的哈希槽，然后就可以给相应的实例发送请求了。

Redis 集群hash在分配

实例和哈希槽的对应关系并不是一成不变的，实例和哈希槽的对应关系并不是一成不变的，最常见的变化有两个(由于负载均衡)

集群中，实例有新增或删除，Redis 需要重新分配哈希槽；为了负载均衡，Redis 需要把哈希槽在所有实例上重新分布一遍。

实例之间还可以通过相互传递消息，获得最新的哈希槽分配信息，但是，客户端是无法主动感知这些变化的。这就会导致，它缓存的分配信息和最新的分配信息就不一致了，那该怎么办呢？
Redis Cluster 方案提供了一种重定向机制，所谓的“重定向”，就是指，客户端给一个实例发送数据读写操作时，这个实例上并没有相应的数据，客户端要再给一个新实例发送操作命令。

那客户端又是怎么知道重定向时的新实例的访问地址呢？当客户端把一个键值对的操作请求发给一个实例时，如果这个实例上并没有这个键值对映射的哈希槽，那么，这个实例就会给客户端返回下面的 MOVED 命令响应结果，这个结果中就包含了新实例的访问地址

GET hello:key
(error) MOVED 13320 172.16.19.5:6379
其中，MOVED 命令表示，客户端请求的键值对所在的哈希槽 13320，实际是在 172.16.19.5 这个实例上。通过返回的 MOVED 命令，就相当于把哈希槽所在的新实例的信息告诉给客户端了。这样一来，客户端就可以直接和 172.16.19.5 连接，并发送操作请求了。

在 Redis 3.0 之前，Redis 官方并没有提供切片集群方案，但是，其实当时业界已经有了一些切片集群的方案，例如基于客户端分区的 ShardedJedis，基于代理的 Codis、Twemproxy 等。这些方案的应用早于 Redis Cluster 方案，在支撑的集群实例规模、集群稳定性、客户端友好性方面也都有着各自的优势，我会在后面的课程中，专门和你聊聊这些方案的实现机制，以及实践经验。这样一来，当你再碰到业务发展带来的数据量巨大的难题时，就可以根据这些方案的特点，选择合适的方案实现切片集群，以应对业务需求了。

hash链

原理简介：

每个数据存储进来的时候，要根据hash算法，进行算值取余，存入到对应的机器中。取数据的时候，用同样的hash算法对key进行计算，即可取出数据。

应用场景：

Redis集群扩容或宕机缩减，那么就需要进行全库数据的重洗，hash取模的值调整。这样，就比较耗费时间。所以，该方案，要预先估计一下自己公司业务的数据量多大，服务器的存储能力多大，然后，考虑在扩容时，所需的时间多久，只要在允许的时间范围内，能够完成重洗数据，那就可以采取该方案。该方案的一个好处就是，简单。存数据简单，取数据简单，理解容易。

hash环

原理简介

上面说的Hash链，只经过了1次hash，即把key hash到对应的机器编号。
而Hash环有2次Hash：
（1）把所有机器编号hash到这个环上
（2）把key也hash到这个环上。然后在这个环上进行匹配，看这个key和哪台机器匹配。这样，每个机器负责对应段上的数据。

应用场景

当hash链性能满足不了公司业务数据量的时候，就要采取该方案进行性能提升。
当服务器缩减时，对应段数据向下游转移即可，这样，就不会影响到其他段服务器的数据。
当服务器扩容时，对应服务器下游的服务器数据要进行重洗，把部分数据转移到新扩容的服务器上即可。这样，在查找时，按照最新的hash算法取余，即可取出对应的数据。
这相较于hash链，进行全库冲洗，还是节省了很多
也就是说，hash链和hash环，在新增服务器的时候，都是要冲洗数据的，只是，hash链是全库冲洗（算法复杂度是N），hash环是下游节点冲洗（算法复杂度是1）
那么会有道友问，我直接上第二种方案不就得了。这显然是不行的。

原因：
hash环是有大小的，它的特点是把hash链首尾相连，那么，假设你公司业务只有百万级数据量，你设置成一个hash环。假设，hash环周长是100，小厂有4台服务器，第一次可以人为均匀分布到环上，但是，如果业务量数据增加，导致需要扩容。这时候，如果你对hash环进行扩周长，如果不重新分配服务器在环上的位置，那就会出现数据倾斜问题，如果，重新均匀分布服务器在环上的位置，那么，就要全库重洗数据。所以，这样就和hash链没什么区别。还多出一个数据倾斜问题。

那么有道友就说了，那我把hash环周长设置的超大。这样，不就可以减轻扩容时，数据倾斜问题的严重性了吗？并不是这样，当你保持环周长不变的前提下扩容的时候，数据倾斜和环的周长并没有关系。只是和你扩容的服务器策略有关，就是，假设第一次设置4台服务器，那么，你扩容的服务器必须是2的N次方台，这样才能人为的避免数据倾斜。那么，你小厂有这个实力吗？显然没有，不划算。

另外，你的环周长越大，也就意味着取余的除数越大，那么，计算取余的时间就越久，比如，你对2取余，口算即可。你对2的32次方取余，那就要多用很多时间，这样，随着积累，你浪费的时间就很多了。相对于公司业务，数据量不大，但是，损耗的计算时间却很多，那就很不划算了。所以，环的周长也是要考虑的点。

所以，使用hash环算法，要考虑两点
1、公司自身实力，每次扩容需要的服务器数据量是：a*2^n。其中，a是第一次均匀分布的服务器数据量，n>=0的整数。这个扩容方法，解决数据倾斜问题。
2、hash环周长大小选择。周长越大，计算越耗费时间。所以，要根据公司业务量大小，选择合理的周长大小，不能太小，否则经常扩容，不能太大，浪漫每次的取余时间。
3、数据倾斜问题的本质，就在于服务器节点在环上的分布是否均匀还是密集。分布密集了，那就会出现数据倾斜问题。