redis的集群架构

系列文章目录

redis主从架构
redis哨兵架构
redis的集群架构
Redis的单线程和高性能
redis管道操作(节省网络IO开销)
redis的lua脚本
redis分布式锁
redis分布式锁redisson
redis缓存优化
redis的过期淘汰策略
redis连接池参数

redis的集群架构

在redis3.0以前的版本要实现集群一般是借助哨兵sentinel工具来监控master节点的状态，如果master节点异常，则会做主从切换，将某一台slave作为master，哨兵的配置略微复杂，并且性能和高可用性等各方面表现一般，特别是在主从切换的瞬间存在访问瞬断的情况,而且哨兵模式只有一个主节点对外提供服务，没法支持很高的并发(单机节点最多10W)，且单个主节点内存也不宜设置得过大，否则会导致持久化文件过大，影响数据恢复或主从同步的效率。

高可用的集群模式

redis集群是一个由多个主从节点群组成的分布式服务器群，它具有复制、高可用和分片特性，Redis集群不需要seninel哨兵也能完成节点移除和故障转移的功能。需要将每个节点设置成集群模式，这种集群模式没有中心节点，可水平扩展，据官方文档称可以线性扩展到上万个节点(官方推荐不超过1000个节点)。redis集群的性能和高可用性均优于之前版本的哨兵模式，且集群配置非常简单。

1.复制特性

小的主从节点可以横向扩展，最多可以上万个，但是最好不超过1000个节点。

2.高可用特性

某个小的主从节点挂掉后，只影响当前主从节点内的数据访问瞬断。

3.分片特性

数据由原来的单机利用分片特性，将数据分成若干份，并分别存储在各自的小主从节点内,这样就大大的提升了能够缓存的大小。而且利用分片特性，一个主从节点如果抗住5W并发，那么横向扩展10个，就是50W。

集群架构搭建(搭建一个三个小主从节点的集群)

第一步:在第一台机器的/usr/1ocal下创建文件夹redis-cluster，然后在其下面分别创建2个文件夾如下
(1)mkdir -p /usr/local/redis-cluster
(2)mkdir 8001 8004

第二步:把redis.conf配置文件copy到8001下，修改如下内容:
(1) daemonize yes
(2) port 8001
(3) dir /usr/local/redis-cluster/8001 （指定数据文件存放位置，必须要指定不同的目录位置，不然会丢失数据）
(4) cluster-enabled yes(启动集群模式)
(5) cluster-config-file nodes-8001.conf 集群节点信息文件，这里800x最好和port对应上
(6) cluster-node-timeout 5000 (节点超时时间)
(7) # bind 127.0.0.1(bind绑定的是自己机号网卡的ip，如果有多块网卡可以配多个ip，代表允许客户端通过机器的哪些网卡ip去访问，内网一般可以不配置bind，注释掉即可),或者配置成 0.0.0.0，即所有ip都可以访问
(8) protected-mode no (关闭保护模式)
(9) appendonly yes
如果要设置密码需要增加如下配置:
(10) requirepass password (设置redis访问密码)
(11) masterauth password (设置集群节点间访问密码，跟上面一致)

第三步:把修改后的配置文件，copy到8804，修改第2、3、5项里的端口号，可以用批量替换:
:%s/源字符串/目的字符串/g

第四步: 另外两台机器也需要做上面几步操作，第二台机器用8002和8005,第三台机器用8003和8006

第五步： 分别启动6个redis实例，然后检查是否启动成功
(1) /usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-server /usr/local/redis-cluster/800*/redis.conf
(2) ps -ef | grep redis 查看是否启动成功

第六步： 用redis-cli创建整个redis集群(redis5以前的版本集群是依靠ruby脚本redis-trib.rb实现)
# 下面命令里的1代表为每个主服务器节点创建一个从服务器节点
# 执行这条命令需要确认三台机器之间的redis实例要能相互访问，可以先简单把所有服务器的防火墙关掉。如果不关闭防火墙则需要打开redis服务器端口和集群节点gossip通信端口
# 关闭防火墙
# systemctl stop firewalld #临时关闭防火墙
# systemctl disable firewalld #禁止开机启动

(1) /usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-cli -a 123456 --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.56.102:8001 192.168.56.102:8004 192.168.56.104:8002 192.168.56.104:8005 192.168.56.105:8003 192.168.56.105:8006

第七步： 验证集群

(1)连接任意一个客户端即可 redis-cli -c -h -p (-a访问服务器密码 -c 集群模式 -h -p host和端口)
(2)进行验证： cluster info（查看集群信息） cluster nodes（查看节点列表）
(3)进行数据操作验证
(4)关闭集群则需要逐个进行关闭，使用命令
  redis-cli -a 123456	-c -h 192.168.* -p 800* shutdown

关于第六步：

图中可以看到redis，将 8005 添加到8001的分片，以及8006添加到8002的分片，8004添加到8003的分片信息。

以及slots插槽的分配，总共16384，被分成了三份，其中8001占 0-5460,8002占5461-10922,8003占10923-16383

输入“yes“继续。

当看到All nodes agree about slots configuration 时，集群搭建成功。

tips: 通过配置看到，redis集群的主从节点是错机器的，这样的好处是保证了一台机器挂掉后，不至于整个主从节点都挂掉。

关于集群的重启

只需要重新启动各实例就行，不需要再次创建集群。

jedis访问集群

public static void main(String[] args) {
        JedisPoolConfig jedisPoolConfig = new JedisPoolConfig();
        jedisPoolConfig.setMaxIdle(10);
        jedisPoolConfig.setMaxTotal(20);
        jedisPoolConfig.setMinIdle(5);

        Set<HostAndPort> jedisClusterNodes = new HashSet<>();
        jedisClusterNodes.add(new HostAndPort("192.168.56.102", 8001));
        jedisClusterNodes.add(new HostAndPort("192.168.56.102", 8004));
        jedisClusterNodes.add(new HostAndPort("192.168.56.104", 8002));
        jedisClusterNodes.add(new HostAndPort("192.168.56.104", 8005));
        jedisClusterNodes.add(new HostAndPort("192.168.56.105", 8003));
        jedisClusterNodes.add(new HostAndPort("192.168.56.105", 8006));


        JedisCluster jedisCluster;
        try{
            jedisCluster = new JedisCluster(jedisClusterNodes,6000,5000,10,"123456",jedisPoolConfig);
            jedisCluster.set("name", "axj");
            String name = jedisCluster.get("name");
            System.out.println(name); //axj
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
}

   

springboot整合集群模式

需要在application.yml中配置集群所有节点

spring:
	redis: 
		database: 0
		timeout: 3000
		password: 123456
		#这里配置所有的集群节点
		cluster:
			nodes: 192.168.56.102:8001 192.168.56.102:8004 192.168.56.104:8002 192.168.56.104:8005 192.168.56.105:8003 192.168.56.105:8006 
		lettuce:
        	pool:
        		max-idle: 50
        		min-idle: 10
        		max-active: 200
        		max-wait: 1000
			

关于slots插槽

当我们连接任意一个端口，并执行

set name zhangsan 

这时出现了如下图所示

这里服务器自动重定向到104下8002端口的redis实例去了。

并且将name = zhangsan的值设置到8002端口的redis实例，原始实例没有这个name的键值,这里体现了redis集群的分片。

redis集群原理分析

Redis Cluster 将所有数据划分为16384个slots（槽位），每个节点负责其中一部分槽位，槽位的信息在每个节点中。

当Redis Cluster的客户端连接集群时，它也会得到一份集群的槽位配置信息并将其缓存在客户端本地。这样当客户端要查找某个key时，可以直接定位到目标节点。同时因为槽位的信息可能会存在客户端与服务器不一致的情况，还需要纠正机制来实现槽位信息的校验调整。

槽位定位算法

Cluster默认会对key值使用CRC16算法进行hash得到一个整数值，然后用这个整数值对16384进行取模来得到具体的槽位。

HASH_SLOT = CRC16(KEY) % 16384

跳转重定位

当客户端向一个错误的节点发出了指令，该节点会发现指令的key所在的槽位并不归自己管理，这是它会想客户端发送一个特殊的跳转指令携带目标操作的节点地址，告诉客户端去连这个节点获取数据，客户端收到指令后除了跳转到正确的节点上操作，还会同步更新纠正本地的槽位映射表缓存，后续所有的key将使用新的槽位映射表。

Redis集群节点间的通信机制

redis cluster节点间采取gossip协议进行通信。

​ 维护集群的元数据（集群节点信息，主从角色，节点数量，各节点共享的数据等）有两种方式：集中式和gossip

集中式

优点在于元数据的更新和读取，时效性非常好，一旦元数据出现变更立即就会更新到集中式的存储中，其他节点读取的时候立即就可以感知到，不足在于所有的元数据的更新压力全部集中在一个地方，可能导致元数据的存储压力。很多中间件都会借助zookeeper集中式存储元数据。

gossip

gossip协议包含多种信息，包括ping，pong，meet，fail等等

meet：某个节点发送meet给新加入的节点，让新节点加入集群中，然后新节点就会开始与其他节点进行通信。

ping： 每个节点都会频繁给其他节点发送ping，其中包含自己的状态还有自己维护的集群元数据，互相通过ping交换元数据（类似自己感知到集群节点增加和移除，hash slot信息等）

pong： 对ping和meet消息的返回，包含自己的状态和其他信息，也可以用于信息广播和更新。

fail： 某个节点判断另一个节点fail之后，就发送fail给其他节点，通知其他节点，指定的节点宕机了。

gossip协议的优点在于元数据的更新比较分散，不是集中在一个地方，更新请求会陆陆续续打到所有节点上去更新，有一定的延时，降低了压力。缺点在于元数据更新有延时可能导致集群额一些操作会有一些滞后。

gossip通信的10000端口

每个节点都有一个专门用于节点间gossip通信的端口，就是自己提供服务的端口号+10000，比如7001，那么用于节点间通信的端口就是17001端口，每个节点每隔一段时间都会往另外几个节点发送ping信息，同时其他节点接收到ping消息之后返回pong消息

网络抖动

真实世界的机房网络往往不是风平浪静的，它们经常会发生各种各样的问题，比如网络抖动就是非常常见的一种现象，突然之间部分连接变得不可访问，然后很快又恢复正常。

为了解决这种问题，Redis Cluster提供了一种选项 cluster-node-timeout，表示当某个节点持续timeout的时间失联时，才可以认定该节点出现故障，需要进行主从切换，如果没有这个选项，网络抖动会导致主从频繁切换（数据的重新复制）。

Redis的集群选举原理分析

当slave发现自己的master变成FAIL状态时，便尝试进行failOver，以期成功新的master，由于挂掉的master可能会有多个slave，从而存在多个slave竞争成为master节点的过程。

其过程如下：

1. slave发现自己的master变成fail

2. 将自己记录的集群currentEpoch(选举周期)加1，并广播FAILOVER_AUTH_REQUEST信息

3. 其他节点接收到该信息，只有master响应，判断请求者的合法性，并发送FAILOVER_AUTH_ACK，对每一个epoch只发送一次ack，也就是同一个master在一个epoch周期内只会回复一个ack。

4. 尝试failover的slave收集master返回的FAILOVER_AUTH_ACK

5. slave收到超过半数的master的ack后变成新的master（这里解释为什么至少需要三个主节点，如果只有两个，当其中一个挂了，只剩一个主节点是不能选举成功的）

6. slave广播pong消息通知其他集群节点。

7. 当slave收到master返回ack的票数一致时，选举会进入下一个epoch（周期），重新进行选举。

如何规避ack返回票数一致

从节点并不是在主节点一进入FAIL状态就马上尝试发起选举，而是有一定的延迟，一定的延迟确保我们等待FAIL状态在集群中传播，slave如果立即尝试选举，其他master或许尚未意识到FAIL状态，可能会拒绝投票

延迟计算公式：

DELAY = 500ms + random（0-500ms） + SLAVE_RANK * 1000ms

SLAVE_RANK 表示此slave已经从master复制数据的总量的rank，Rank越小代表已复制的数据越新，这种方式下，持有最新数据的slave将会首先发起选举（理论上）。

集群脑裂数据丢失问题

redis集群没有过半机制会有脑裂问题，网络分区导致脑裂后多个主节点对外提供写服务，一旦网络分区恢复，会将其中一个主节点变成从节点，这时会有大量数据丢失。也就是原来的主节点在失联这段时间内，可能会接收写入大量数据。当恢复后，原来的主节点会变成新选举的主节点的从节点，变成从节点后，利用主从，会复制新选举的主节点的数据到当下节点，这样这段时间写入的大量数据会丢失。

规避方法可以在redis配置里加上参数（这种方法不可能百分之百的避免数据丢失，参数集群leader选举机制）

min-slaves-to-write 1 //写数据成功最少同步的slave数量，这个数量可以模仿大于半数机制配置，比如集群总共三个节点可以配置1，加上leader就是2，超过了半数

这个配置的意思是主节点接收到数据后，必须要有一个从节点数据同步成功才返回给客户端，该条命令成功。也就是主从捆绑起来了，都成功才成功。这样可以避免游离的脑裂主节点写入数据。

注意: 这个配置在一定程度上会影响集群的可用性，比如slave要是少于一个，这个集群就算leader正常就不能提供服务了，需要具体场景权衡选择。

牺牲一定的可用性，换来数据一致性。

集群是否完成才能对外提供服务

当redis.conf的配置cluster-require-full-coverage 为no时，表示当负责一个插槽的主库下线且没有相应的从库进行故障恢复时，集群任然可用，如果为yes，则集群不可用。

Redis集群为什么至少需要三个master节点，并且推荐节点数为奇数？

因为新master的选举需要大于半数的集群master节点同意才能选举成功，如果只有两个master节点，当其中一个挂了，是达不到选举新master的条件的。

奇数个master节点可以在满足选举该条件的基础上节省一个节点，比如三个master节点和四个master节点的集群相比，大家如果都挂了一个master节点都能选举新的master节点，如果都挂了两个master节点都没法选举新的master节点了，所以奇数的master节点更多的是从节省机器资源角度出发说的。

Redis集群对批量操作命令的支持

对于类似mset，mget这样的多个key的原生批量命令，redis集群只支持所有key落在统一slot的情况，如果有多个key一定要用mset命令在redis集群上操作，则可以在key的前面加上{xx}，这样参数数据分片hash计算的只会是大括号里面的值，这样能确保不同的key能落到同一slot里去，示例如下：

mset {user1}:name zhangsan {user1}:age 18

假设name和age计算的hash slot值不一样，但是这条命令在集群下执行，redis只会用大括号里的user1做hash slot计算，所以算出来的slot值肯定相同，最后能落到同一slot。

redis集群扩容

在原始集群上增加一主一从，分别为8007，8008。

mkdir 8007 8008
cd 8001 
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/8007
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/8008
# 修改端口号等信息
vim /usr/local/redis-cluster/8007/redis.conf
port:8007
dir /usr/local/redis-cluster/8007
cluster-config-file nodes-8007.conf

# 修改8008的端口信息
vim /usr/local/redis-cluster/8008/redis.conf
port: 8008
dir /usr/local/redis-cluster/8008
cluster-config-file nodes-8008.conf

# 启动8007和8008两个服务并查看状态

/usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-server /usr/local/redis-cluster/8007/redis.conf
/usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-server /usr/local/redis-cluster/8008/redis.conf

ps -ef | grep redis
//查看8007 和8008是否已经启动成功

##查看reis-cli关于集群的帮助命令
redis-cli --cluster help
create 创建一个集群环境 host1:port1 .... hostn:portn
call 可以执行redis命令
add-node 将一个节点添加到集群里，第一个参数为新节点的ip：port，第二个参数为集群中任意一个已经存在的主节点的ip：port
del-node 移除一个节点
reshard 重新分片
check 检查集群状态

## 配置8007为集群主节点
#使用add-node命令新增一个主节点8007（master），前面的ip：port为新增节点，后面的ip：port为已知存在节点，看到日志最后有【ok】 New node added correctly 提示代表新节点加入成功
/usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-cli -a 123456 --cluster add-node 192.168.56.103:8007 192.168.56.102:8001

# 查看集群状态
链接任意一个节点,执行 cluster nodes
注意： 当添加节点成功后，新增的节点不会有任何数据，因为它还没有分配任何的slot，我们需要为新节点手工分配hash槽位
    
# 使用redis-cli命令为8007分配hash槽，找到集群中的任意一个主节点，对其进行重新分片工作
/usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-cli -a 123456 --cluster reshard 192.168.56.102:8001
注意： 这里是把8001原来拥有的槽位分一点出去，具体分配给谁，看下面配置。
#输出如下
    how many slots do you want to move(from 1 to 16384) ? 
    (需要多少个槽位移动到新的节点上，自己设置，比如600个hash槽)
    what is the receiving node ID ?
    (把这600个hash槽移动到哪个节点上去，需要指定节点id)
    这里把对应的数据也迁移过去
    please enter all the source node IDs
       Type ‘all’ to use all the nodes as source nodes for the hash slots.
       Type 'done' once you entered all the source nodes IDs.

           
           
# 配置8008为8007的从节点
  第一步： 将8008加入到集群中去
        /usr/local/redis-cluster/redis-6.2.14/src/redis-cli -a 123456 --cluster add-node 192.168.56.103:8008 192.168.56.102:8001
  第二部： 利用 replicate命令将8008指定为8007的副本
       链接上8008，执行cluster replicate 8007的节点id