分布式缓存-Redis分片集群

一、分片集群结构

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，分片集群特征：

• 集群中有多个 master，每个 master 保存不同数据（可解决高并发写的问题）
• 每个 master 都可以有多个 slave 节点（解决高并发读的问题）
• master 之间通过 ping 监测彼此健康状态（类似于哨兵机制）
• 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

二、搭建分片集群

2.1 集群结构

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

2.2 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/usr/local/src/myredis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 /usr/local/src/myredis/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 /usr/local/src/myredis/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 /usr/local/src/myredis/6379/run.log

将这个文件拷贝到每个目录下：

# 进入/usr/local/src/myredis目录
cd /usr/local/src/myredis
# 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 /usr/local/src/myredis
# 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

2.3 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 /usr/local/src/myredis
# 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

2.4 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是有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 /usr/local/src/redis-6.2.6/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Redis6.2.6版本，集群管理以及集成到了redis-cli中，格式如下：
在 /usr/local/src/myredis/ 目录下执行下述命令：

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

2.5 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：

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：

三、散列插槽

3.1 散列插槽原理

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”{}“中至少包含一个字符，”{}“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，那么有效部分就是 num，所以就会根据 num 来计算插槽值。如果 key 是 {itcast}num，那么有效部分就是 itcast，就会根据 itcast 来计算插槽值。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。

为什么数据 key 要与插槽绑定，而不是与节点绑定呢？这是因为 Redis 的主节点有可能会出现宕机情况，也有可能由于集群伸缩而被删除，当节点删除或者发生宕机，节点上保存的数据也就丢失了，但如果数据是跟插槽绑定，那么当出现上述情况时，就可以将发生故障的节点上的插槽转移至活着的节点上。这样，数据跟插槽绑定，就永远都能够找到数据所在位置。

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7003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

3.2 总结

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

四、集群伸缩

redis-cli --cluster 提供了很多操作集群的命令，可以通过下面的方式查看：

add-node 命令在添加节点时，如果没有指定 --cluster-slave 以及 --cluster-master-id，那么这个节点默认就是一个主节点，cluster-slave 指定该节点为从节点，cluster-master-id 指定主节点 id。

4.1 需求分析

案例：向集群中添加一个新的 master 节点，并向其中存储 num=10。
需求：

• 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

4.2 功能实现

4.2.1 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 -i /s/6379/7004/g 7004/redis.conf

启动

redis-server 7004/redis.conf

4.2.2 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

4.2.3 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：

哪个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。

4.3 练习：删除集群中的一个节点

需求：删除7004这个实例
具体步骤：

• 先将 7004 分配的插槽转移至其他节点，比如：7001 节点，具体可参照 4.2.3 操作步骤
• 执行删除节点命令redis-cli --cluster del-node host:port node_id
• 通过命令查询结果redis-cli -p 7001 cluster nodes

五、故障转移

集群初始状态是这样的：

其中7001、7002、7003都是master，我们计划让7002宕机。

5.1 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

可使用 watch redis-cli -p 7001 cluster nodes命令来实时监控集群中节点的状态变化

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：

5.2 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 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：

当 slave 执行 cluster failover 命令时，slave 节点就会向 master 节点发送节点替换通知，为了避免数据的丢失，master 接收到 slave 节点发送过来的通知后，就会拒绝任何客户端的请求。然后，master 会返回当前的数据 offset 给 slave，slave 接收到后会判断自身数据中的 offset 与 master 中 offset 是否一致，如果不一致，则需要进行数据同步。由于 master 已经拒绝了客户端的所有请求，那么一旦 slave 完成数据同步，也就表示 slave 与 master 之间数据是完全一致的。之后，便开始进行故障转移，即 slave 与 master 进行角色互换，让 slave 成为新的 master，而旧的 master 则转变为新的 slave。转移结束后，slave 便会标记自己为 master，并向集群中每一个节点广播故障转移的结果。当集群中节点收到广播后，后续的所有交互便转移至新的master。

手动的 Failover 支持三种不同模式：

• 缺省：默认的流程，如图 1~6 步
• force：省略了对 offset 的一致性校验
• takeover：直接执行第 5 步，忽略数据一致性、忽略 master 状态和其他 master 的意见

5.2.1 案例需求

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

五、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

具体代码以及配置可以参照分布式缓存-Redis 哨兵中的第三部分使用 RedisTemplate 连接哨兵