Redis（十二）进阶：Redis分布式系统

Redis 分布式系统，官方称为 Redis Cluster，Redis 集群，其是 Redis 3.0 开始推出的分布式解决方案。其可以很好地解决不同 Redis 节点存放不同数据，并将用户请求方便地路由到不同 Redis 的问题。

数据分区算法

分布式数据库系统会根据不同的数据分区算法，将数据分散存储到不同的数据库服务器节点上，每个节点管理着整个数据集合中的一个子集。

常见的数据分区规则有两大类：顺序分区与哈希分区。

顺序分区

顺序分区规则可以将数据按照某种顺序平均分配到不同的节点。不同的顺序方式，产生了不同的分区算法。例如，轮询分区算法、时间片轮转分区算法、数据块分区算法、业务主题分区算法等。由于这些算法都比较简单，所以这里就不展开描述了。

轮询分区算法

每产生一个数据，就依次分配到不同的节点。该算法适合于数据问题不确定的场景。其分配的结果是，在数据总量非常庞大的情况下，每个节点中数据是很平均的。但生产者与数据节点间的连接要长时间保持。

时间片轮转分区算法

在某人固定长度的时间片内的数据都会分配到一个节点。时间片结束，再产生的数据就会被分配到下一个节点。这些节点会被依次轮转分配数据。该算法可能会出现节点数据不平均的情况（因为每个时间片内产生的数据量可能是不同的）。但生产者与节点间的连接只需占用当前正在使用的这个就可以，其它连接使用完毕后就立即释放。

数据块分区算法

在整体数据总量确定的情况下，根据各个节点的存储能力，可以将连接的某一整块数据分配到某一节点。

业务主题分区算法

数据可根据不同的业务主题，分配到不同的节点。

哈希分区

哈希分区规则是充分利用数据的哈希值来完成分配，对数据哈希值的不同使用方式产生了不同的哈希分区算法。哈希分区算法相对较复杂，这里详细介绍几种常见的哈希分区算法。

节点取模分区算法

该算法的前提是，每个节点都已分配好了一个唯一序号，对于 N 个节点的分布式系统，其序号范围为[0, N-1]。然后选取数据本身或可以代表数据特征的数据的一部分作为 key，计算 hash(key)与节点数量 N 的模，该计算结果即为该数据的存储节点的序号。

该算法最大的优点是简单，但其也存在较严重的不足。如果分布式系统扩容或缩容，已经存储过的数据需要根据新的节点数量 N 进行数据迁移，否则用户根据 key 是无法再找到原来的数据的。生产中扩容一般采用翻倍扩容方式，以减少扩容时数据迁移的比例。

一致性哈希分区算法

一致性 hash 算法通过一个叫作一致性 hash 环的数据结构实现。这个环的起点是 0，终点是 2^32 - 1，并且起点与终点重合。环中间的整数按逆/顺时针分布，故这个环的整数分布范围是[0, 2^32-1]。

上图中存在四个对象 o1、o2、o3、o4，分别代表四个待分配的数据，红色方块是这四个数据的 hash(o)在 Hash 环中的落点。同时，图上还存在三个节点 m0、m1、m2，绿色圆圈是这三节点的 hash(m)在 Hash 环中的落点。

现在要为数据分配其要存储的节点。该数据对象的 hash(o) 按照逆/顺时针方向距离哪个节点的 hash(m)最近，就将该数据存储在哪个节点。这样就会形成上图所示的分配结果。

该算法的最大优点是，节点的扩容与缩容，仅对按照逆/顺时针方向距离该节点最近的节点有影响，对其它节点无影响。

当节点数量较少时，非常容易形成数据倾斜问题，且节点变化影响的节点数量占比较大，即影响的数据量较大。所以，该方式不适合数据节点较少的场景。

虚拟槽分区算法

该算法首先虚拟出一个固定数量的整数集合，该集合中的每个整数称为一个 slot 槽。这个槽的数量一般是远远大于节点数量的。然后再将所有 slot 槽平均映射到各个节点之上。例如，Redis 分布式系统中共虚拟了 16384 个 slot 槽，其范围为[0, 16383]。假设共有 3 个节点，那么 slot 槽与节点间的映射关系如下图所示：

而数据只与 slot 槽有关系，与节点没有直接关系。数据只通过其 key 的 hash(key)映射到slot 槽：slot = hash(key) % slotNums。这也是该算法的一个优点，解耦了数据与节点，客户端无需维护节点，只需维护与 slot 槽的关系即可。

Redis 数据分区采用的就是该算法。其计算槽点的公式为：slot = CRC16(key) % 16384。CRC16()是一种带有校验功能的、具有良好分散功能的、特殊的 hash 算法函数。其实 Redis中计算槽点的公式不是上面的那个，而是：slot = CRC16(key) &16383。

若要计算 a % b，如果 b 是 2 的整数次幂，那么 a % b = a & (b-1)。

系统搭建与运行

系统搭建

系统架构

下面要搭建的 Redis 分布式系统由 6 个节点构成，这 6 个节点的地址及角色分别如下表所示。一个 master 配备一个 slave，不过 master 与 slave 的配对关系，在系统搭建成功后会自动分配。

序号	角色	地址
1	master	127.0.0.1:6380
2	master	127.0.0.1:6381
3	master	127.0.0.1:6382
4	slave	127.0.0.1:6383
5	slave	127.0.0.1:6384
6	slave	127.0.0.1:6385

删除持久化文件

Redis 分布式系统要求创建在一个空的数据库之上，AOF持久化文件全部在 appendonlydir 目录中。

在 Redis 安装目录中 mkdir 一个新的目录 cluster-dis，用作分布式系统的工作目录。

编写配置文件

公共配置文件redis.conf

cluster-enabled

该属性用于开启 Redis 的集群模式。

cluster-config-file

该属性用于指定“集群节点”的配置文件。该文件会在第一次节点启动时自动生成，其生成的路径是在 dir 属性指定的工作目录中。在集群节点信息发生变化后（如节点下线、故障转移等），节点会自动将集群状态信息保存到该配置文件中。

不过，该属性在这里仍保持注释状态。在后面的每个节点单独的配置文件中配置它。

cluster-node-timeout

用于指定“集群节点”间通信的超时时间阈值，单位毫秒。

各个结点配置文件

redis6380.conf：

include redis.conf
pidfile /var/run/redis_6380.pid
port 6380
dbfilename dump6380.rdb
appendfilename appendonly6380.aof
cluster-config-file nodes-6380.conf # 集群相关

其他6381~6385只需修改端口相关参数即可。

一共7个配置文件

系统启动与关闭

启动节点

通过redis-server redis6380.conf &启动所有redis

此时查看 cluster-dis 目录，可以看到生成了 6 个 nodes 的配置文件。

创建系统

6 个节点启动后，它们仍是 6 个独立的 Redis，通过 redis-cli --cluster create 命令可将 6个节点创建了一个分布式系统。

1	redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6382 127.0.0.1:6383 127.0.0.1:6384 127.0.0.1:6385 # 最好是使用自己ip，这里只是演示

该命令用于将指定的 6 个节点连接为一个分布式系统。–cluster replicas 1 指定每个master 会带有一个 slave 作为副本。

回车后会立即看到如下日志：

输入 yes 后回车，系统就会将以上显示的动态配置信息真正的应用到节点上，然后就可可看到如下日志：

测试系统

1	redis-cli -c -p 6380 cluster nodes

通过 cluster nodes 命令可以查看到系统中各节点的关系及连接情况。只要能看到每个节点给出 connected，就说明分布式系统已经成功搭建。不过，对于客户端连接命令 redis-cli，需要注意两点：

redis-cli 带有-c 参数，表示这是要连接一个“集群”，而非是一个节点。
端口号可以使用 6 个中的任意一个。

关闭系统

对于分布式系统的关闭，只需将各个节点 shutdown 即可。

redis-cli -p 6380 shutdown

快速启动脚本

只限本机使用，生产环境下ip不同还是老老实实手动吧。

start.sh

#!/bin/bash

rm -rf dump638*.rdb
#rm -rf appendonlydir # 配置了aof
rm -rf nodes-638*.conf
sudo rm -f /var/run/redis_638*.pid
for port in 6380 6381 6382 6383 6384 6385; do
    redis-server "redis${port}.conf" &
done

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6382 127.0.0.1:6383 127.0.0.1:6384 127.0.0.1:6385

shutdown.sh

#!/bin/bash

for port in 6380 6381 6382 6383 6384 6385; do
  redis-cli -p ${port} shutdown
done

ps aux | grep redis

可执行权限chmod +x start.sh

集群操作

连接集群

1	redis-cli -c -p 6380 # 端口随便哪个都行

与之前单机连接相比的唯一区别就是增加了参数-c。

写入数据

key 单个写入

无论 value 类型为 String 还是 List、Set 等集合类型，只要写入时操作的是一个 key，那么在分布式系统中就没有问题。例如

key 批量操作

对一次写入多个 key 的操作，由于多个 key 会计算出多个 slot，多个 slot 可能会对应多个节点。而由于一次只能写入一个节点，所以该操作会报错。

不过，系统也提供了一种对批量 key 的操作方案，为这些 key 指定一个统一的 group，让这个 group 作为计算 slot 的唯一值。mset name{emp} zs age{emp} 23 depart{emp} market

集群查询

查询 key 的 slot

通过 cluster keyslot 可以查询指定 key 的 slot。例如，下面是查询 emp 的 slot。cluster keyslot emp

查询 slot 中 key 的数量

通过 cluster countkeysinslot命令可以查看到指定 slot 所包含的 key 的个数。

查询 slot 中的 key

通过 cluster getkeysinslot 命令可以查看到指定 slot 所包含的 key。

故障转移

分布式系统中的某个 master 如果出现宕机，那么其相应的 slave 就会自动晋升为 master。如果原 master 又重新启动了，那么原 master 会自动变为新 master 的 slave。

模拟故障

通过 cluster nodes 命令可以查看系统的整体架构及连接情况。

当然，也可以通过 info replication 查看当前客户端连接的节点的角色。可以看到，6382节点是 master，其 slave 为 6385节点。

为了模拟 6382宕机，直接将其 shutdown。

通过客户端连接上 6385 节点后可以查看到，其已经自动晋升为了 master。

重启 6382 节点后查看其角色，发现其自动成为了 6385 节点的 slave。

全覆盖需求

如果某 slot 范围对应节点的 master 与 slave 全部宕机，那么整个分布式系统是否还可以对外提供读服务，就取决于属性 cluster-require-full-coverage 的设置。

该属性有两种取值：

yes：默认值。要求所有 slot 节点必须全覆盖的情况下系统才能运行。
no：slot 节点不全的情况下系统也可以提供查询服务。

集群扩容

下面要在正在运行的分布式系统中添加两个新的节点：端口号为 6386 的节点为 master节点，其下会有一个端口号为 6387 的 slave 节点。

使用 redis6380.conf 复制出 2 个配置文件 redis6386.conf 与 redis6387.conf，并修改其中的各处端口号为相应端口号，为集群扩容做前期准备。要添加的两个节点是两个 Redis，所以需要先将它们启动。只不过，在没有添加到分布式系统之前，它们两个是孤立节点，每个节点与其它任何节点都没有关系。

添加 master 节点

1	redis-cli -c --cluster add-node 127.0.0.1:6386 127.0.0.1:6380 # 集群中任意一个端口都行，不一定是6380

通过命令 redis-cli --cluster add-node {newHost}:{newPort} {existHost}:{existPort}可以将新的节点添加到系统中。其中{newHost}:{newPort}是新添加节点的地址，{existHost}:{existPort}是原系统中的任意节点地址。

添加成功后可看到如下日志。

添加成功后，通过 redis-cli -c -p 6386 cluster nodes 命令可以看到其它 master 节点都分配有 slot，只有新添加的 master 还没有相应的 slot。当然，通过该命令也可以看到该新节点的动态 ID。

分配 slot

为新的 master 分配的 slot 来自于其它节点，总 slot 数量并不会改变。所以 slot 分配过程本质是一个 slot 的移动过程。

通过 redis-cli –c --cluster reshard {existIP}:{existPort}命令可开启 slot 分配流程。其中地址{existIP}:{existPort}为分布式系统中的任意节点地址。

1	redis-cli -c --cluster reshard 127.0.0.1:6381

该流程中会首先查询出当前节点的 slot 分配情况:

然后开始 Q&A 交互。一共询问了四个问题，这里有三个：

准备移动多少 slot？
准备由谁来接收移动的 slot？
选择要移动 slot 的源节点。有两种方案。如果选择键入 all，则所有已存在 slot 的节点都将作为 slot 源节点，即该方案将进行一次 slot 全局大分配。也可以选择其它部分节点作为 slot 源节点。此时将源节点的动态 ID 复制到这里，每个 ID 键入完毕后回车，然后再复制下一个 slot 源节点动态 ID，直至最后一个键入完毕回车后再键入 done。

这里键入的是 all，进行全局大分配。

其首先会检测指定的 slot 源节点的数据，然后制定出 reshard 的方案。

这里会再进行一次 Q&A 交互，询问是否想继续处理推荐的方案。键入 yes，然后开始真正的全局分配，直至完成。

此时再通过 redis-cli -c -p 6386 cluster nodes 命令查看节点信息，可以看到 6386 节点中已经分配了 slot，只不过分配的 slot 编号并不连续。master 节点新增完成。

添加 slave 节点

现要将 6387 节点添加为 6386 节点的 slave。当然，首先要确保 6387 节点的 Redis 是启动状态。

通过 redis-cli --cluster add-node {newHost}:{newPort} {existHost}:{existPort} --cluster-slave --cluster-master-id masterID 命令可将新添加的节点直接添加为指定 master 的 slave。