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

分布式缓存-Redis分片集群_第1张图片

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

分布式缓存-Redis分片集群_第2张图片

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:
分布式缓存-Redis分片集群_第3张图片
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:
分布式缓存-Redis分片集群_第4张图片
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

在这里插入图片描述

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:
分布式缓存-Redis分片集群_第5张图片
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:
分布式缓存-Redis分片集群_第6张图片

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:
分布式缓存-Redis分片集群_第7张图片
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。
分布式缓存-Redis分片集群_第8张图片
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
分布式缓存-Redis分片集群_第9张图片

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:
分布式缓存-Redis分片集群_第10张图片
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:
分布式缓存-Redis分片集群_第11张图片

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:
分布式缓存-Redis分片集群_第12张图片
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:
在这里插入图片描述
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:
分布式缓存-Redis分片集群_第13张图片
具体命令如下:

建立连接:
在这里插入图片描述
得到下面的反馈:
分布式缓存-Redis分片集群_第14张图片
询问要移动多少个插槽,我们计划是3000个:
新的问题来了:
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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?
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复制这个id,然后拷贝到刚才的控制台后:
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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:
分布式缓存-Redis分片集群_第18张图片
确认要转移吗?输入yes:

然后,通过命令查看结果:
在这里插入图片描述
可以看到:
分布式缓存-Redis分片集群_第19张图片
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:
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述

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:
分布式缓存-Redis分片集群_第20张图片
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
在这里插入图片描述
2)执行cluster failover命令
在这里插入图片描述

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

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