1.Redis主从集群

首先我们来谈谈Redis的高可靠性，Redis的高可靠性其实有两层含义

一是保证数据尽量少丢失或者不丢失，AOF和RDB持久化保证了
二是服务尽量少中断，Redis采用了增加副本冗余量（集群就是为了解决服务中断的问题）

什么是增加副本冗余量：将一份数据同时保存在多个实例上。即使有一个实例出现了故障，需要过一段时间才能恢复，其他实例也可以对外提供服务，不会影响业务使用。其实这也就是Redis的主从集群

1.1主从集群是如何保证数据的一致性——采用了读写分离

多实例保存同一份数据，听起来好像很不错，但是，我们必须要考虑一个问题：这么多副本，它们之间的数据如何保持一致呢？数据读写操作可以发给所有的实例吗？

Redis的主从集群，为了保证从节点的数据副本的一致性，主从库之间采用的是读写分离的方式。

读操作：主库、从库都可以接收；
写操作：首先到主库执行，然后，主库将写操作同步给从库。

为什么要采用读写分离的方式？

你可以设想一下，如果在上图中，不管是主库还是从库，都能接收客户端的写操作，那么，一个直接的问题就是：如果客户端对同一个数据（例如k1）前后修改了三次，每一次的修改请求都发送到不同的实例上，在不同的实例上执行，那么，这个数据在这三个实例上的副本就不一致了（分别是v1、v2和v3）。在读取这个数据的时候，就可能读取到旧的值。

如果我们非要保持这个数据在三个实例上一致，就要涉及到加锁、实例间协商是否完成修改等一系列操作，但这会带来巨额的开销，当然是不太能接受的。

1.为了避免主从库之间出现数据不一致问题
2.为了避免主从库之间加锁、协商带来的额外消耗

而主从库模式一旦采用了读写分离，所有数据的修改只会在主库上进行，不用协调三个实例。主库有了最新的数据后，会同步给从库，这样，主从库的数据就是一致的。

那么，主从库同步是如何完成的呢？主库数据是一次性传给从库，还是分批同步？要是主从库间的网络断连了，数据还能保持一致吗？我们先来看看主从库间的第一次同步是如何进行的，这也是Redis实例建立主从库模式后的规定动作。

1.2主从库之间如何进行第一次同步

当我们启动多个Redis实例的时候，它们相互之间就可以通过replicaof（Redis 5.0之前使用slaveof）命令形成主库和从库的关系，之后会按照三个阶段完成数据的第一次同步。

例如，现在有实例1（ip：172.16.19.3）和实例2（ip：172.16.19.5），我们在实例2上执行以下这个命令后，实例2就变成了实例1的从库，并从实例1上复制数据：

replicaof  172.16.19.3  6379

接下来，我们就要学习主从库间数据第一次同步的三个阶段了。你可以先看一下下面这张图，有个整体感知，接下来我再具体介绍。

第一阶段是主从库间建立连接、协商同步的过程，主要是为全量复制做准备。在这一步，从库和主库建立起连接，并告诉主库即将进行同步，主库确认回复后，主从库间就可以开始同步了。

具体来说，从库给主库发送psync命令，表示要进行数据同步，主库根据这个命令的参数来启动复制。psync命令包含了主库的runID和复制进度offset两个参数。

runID，是每个Redis实例启动时都会自动生成的一个随机ID，用来唯一标记这个实例。当从库和主库第一次复制时，因为不知道主库的runID，所以将runID设为“？”。
offset，此时设为-1，表示第一次复制。

主库收到psync命令后，会用FULLRESYNC响应命令带上两个参数：主库runID和主库目前的复制进度offset，返回给从库。从库收到响应后，会记录下这两个参数。

这里有个地方需要注意，FULLRESYNC响应表示第一次复制采用的全量复制，也就是说，主库会把当前所有的数据都复制给从库。

第二阶段，主库将所有数据同步给从库。从库收到数据后，在本地完成数据加载。这个过程依赖于内存快照生成的RDB文件。

具体来说，主库执行bgsave命令，生成RDB文件，接着将文件发给从库。从库接收到RDB文件后，会先清空当前数据库，然后加载RDB文件。这是因为从库在通过replicaof命令开始和主库同步前，可能保存了其他数据。为了避免之前数据的影响，从库需要先把当前数据库清空。

在主库将数据同步给从库的过程中，主库不会被阻塞，仍然可以正常接收请求。否则，Redis的服务就被中断了。但是，这些请求中的写操作并没有记录到刚刚生成的RDB文件中。为了保证主从库的数据一致性，主库会在内存中用专门的replication buffer，记录RDB文件生成后收到的所有写操作。

第三个阶段，主库会把第二阶段执行过程中新收到的写命令，再发送给从库。具体的操作是，当主库完成RDB文件发送后，就会把此时replication buffer中的修改操作发给从库，从库再重新执行这些操作。这样一来，主从库就实现同步了。

2.Redis 主从从集群

通过分析主从库间第一次数据同步的过程，你可以看到**，一次全量复制中，对于主库来说，需要完成两个耗时的操作：生成RDB文件和传输RDB文件。**

1.如果从库数量很多，而且都要和主库进行全量复制的话，就会导致主库忙于fork子进程生成RDB文件，进行数据全量同步。fork这个操作会阻塞主线程处理正常请求，从而导致主库响应应用程序的请求速度变慢。
2.传输RDB文件也会占用主库的网络带宽，同样会给主库的资源使用带来压力

在刚才介绍的主从库模式中，所有的从库都是和主库连接，所有的全量复制也都是和主库进行的。现在，我们可以通过“主-从-从”模式将主库生成RDB和传输RDB的压力，以级联的方式分散到从库上。

简单来说，我们在部署主从集群的时候，可以手动选择一个从库（比如选择内存资源配置较高的从库），用于级联其他的从库。然后，我们可以再选择一些从库（例如三分之一的从库），在这些从库上执行如下命令，让它们和刚才所选的从库，建立起主从关系。

replicaof  所选从库的IP 6379

这样一来，这些从库就会知道，在进行同步时，不用再和主库进行交互了，只要和级联的从库进行写操作同步就行了，这就可以减轻主库上的压力，如下图所示：

好了，到这里，我们了解了主从库间通过全量复制实现数据同步的过程，以及通过“主-从-从”模式分担主库压力的方式。那么，一旦主从库完成了全量复制，它们之间就会一直维护一个网络连接，主库会通过这个连接将后续陆续收到的命令操作再同步给从库，这个过程也称为基于长连接的命令传播，可以避免频繁建立连接的开销。

听上去好像很简单，但不可忽视的是，这个过程中存在着风险点，最常见的就是网络断连或阻塞。如果网络断连，主从库之间就无法进行命令传播了，从库的数据自然也就没办法和主库保持一致了，客户端就可能从从库读到旧数据。

2.1主从库间网络断了怎么保证数据一致性

在Redis 2.8之前，如果主从库在命令传播时出现了网络闪断，那么，从库就会和主库重新进行一次全量复制，开销非常大。

从Redis 2.8开始，网络断了之后，主从库会采用增量复制的方式继续同步。听名字大概就可以猜到它和全量复制的不同：全量复制是同步所有数据，而增量复制只会把主从库网络断连期间主库收到的命令，同步给从库。

那么，增量复制时，主从库之间具体是怎么保持同步的呢？这里的奥妙就在于repl_backlog_buffer这个缓冲区。我们先来看下它是如何用于增量命令的同步的。

当主从库断连后，主库会把断连期间收到的写操作命令，写入replication buffer，同时也会把这些操作命令也写入repl_backlog_buffer这个缓冲区。

repl_backlog_buffer是一个环形缓冲区，主库会记录自己写到的位置，从库则会记录自己已经读到的位置。

刚开始的时候，主库和从库的写读位置在一起，这算是它们的起始位置。随着主库不断接收新的写操作，它在缓冲区中的写位置会逐步偏离起始位置，我们通常用偏移量来衡量这个偏移距离的大小，对主库来说，对应的偏移量就是master_repl_offset。主库接收的新写操作越多，这个值就会越大。

同样，从库在复制完写操作命令后，它在缓冲区中的读位置也开始逐步偏移刚才的起始位置，此时，从库已复制的偏移量slave_repl_offset也在不断增加。正常情况下，这两个偏移量基本相等。

主从库的连接恢复之后，从库首先会给主库发送psync命令，并把自己当前的slave_repl_offset发给主库，主库会判断自己的master_repl_offset和slave_repl_offset之间的差距。

在网络断连阶段，主库可能会收到新的写操作命令，所以，一般来说，master_repl_offset会大于slave_repl_offset。此时，主库只用把master_repl_offset和slave_repl_offset之间的命令操作同步给从库就行。

就像刚刚示意图的中间部分，主库和从库之间相差了put d e和put d f两个操作，在增量复制时，主库只需要把它们同步给从库，就行了。

不过，有一个地方我要强调一下，因为repl_backlog_buffer是一个环形缓冲区，所以在缓冲区写满后，主库会继续写入，此时，就会覆盖掉之前写入的操作。如果从库的读取速度比较慢，就有可能导致从库还未读取的操作被主库新写的操作覆盖了，这会导致主从库间的数据不一致。

因此，我们要想办法避免这一情况，一般而言，我们可以调整repl_backlog_size这个参数。这个参数和所需的缓冲空间大小有关。缓冲空间的计算公式是：缓冲空间大小 = 主库写入命令速度 * 操作大小 - 主从库间网络传输命令速度 * 操作大小。在实际应用中，考虑到可能存在一些突发的请求压力，我们通常需要把这个缓冲空间扩大一倍，即repl_backlog_size = 缓冲空间大小 * 2，这也就是repl_backlog_size的最终值。

举个例子，如果主库每秒写入2000个操作，每个操作的大小为2KB，网络每秒能传输1000个操作，那么，有1000个操作需要缓冲起来，这就至少需要2MB的缓冲空间。否则，新写的命令就会覆盖掉旧操作了。为了应对可能的突发压力，我们最终把repl_backlog_size设为4MB。

这样一来，增量复制时主从库的数据不一致风险就降低了。不过，如果并发请求量非常大，连两倍的缓冲空间都存不下新操作请求的话，此时，主从库数据仍然可能不一致。

针对这种情况，一方面，你可以根据Redis所在服务器的内存资源再适当增加repl_backlog_size值，比如说设置成缓冲空间大小的4倍，另一方面，你可以考虑使用切片集群来分担单个主库的请求压力。

3.Redis切片集群

首先我们先从一个需求引入：要用Redis保存5000万个键值对，每个键值对大约是512B，这些键值对所占的内存空间大约是25GB（5000万*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？

方法一：选择一台32GB内存的云主机来部署Redis。因为32GB的内存能保存所有数据，而且还留有7GB，可以保证系统的正常运行。同时，我还采用RDB对数据做持久化，以确保Redis实例故障后，还能从RDB恢复数据。

问题：因为数据量大，主线程fork子线程非常慢，主线程会阻塞。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。

方法二：**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，就是指把主库拆分成多个小的主库。回到我们刚刚的场景中，如果把25GB的数据平均分成5份（当然，也可以不做均分），使用5个实例来保存，每个实例只需要保存5GB数据。如下图所示：

那么，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。

3.1进一步分析切片集群和大内存云主机优缺点

在刚刚的案例里，为了保存大量数据，我们使用了大内存云主机和切片集群两种方法。实际上，这两种方法分别对应着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。

纵向扩展的好处：

1.实施起来简单、直接

纵向扩展的坏处：

1.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
2.纵向扩展会受到硬件和成本的限制，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。

横向扩展的好处和坏处跟纵向扩展相反，如果使用切片集群就会涉及到分布式管理的问题

数据切片后，每个实例是怎么存储数据的？
客户端怎么确定想要访问的数据在哪个实例上？

3.2把数据映射到’小主库‘的规则是什么（Redis Cluster)

在切片集群中，数据需要分布在不同实例上，那么，数据和实例之间如何对应呢？这就和接下来我要讲的Redis Cluster方案有关了。不过，我们要先弄明白切片集群和Redis Cluster的联系与区别。

实际上，切片集群是一种保存大量数据的通用机制，这个机制可以有不同的实现方案。在Redis 3.0之前，官方并没有针对切片集群提供具体的方案。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。

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。

具体的映射过程分为两大步：

1.首先根据键值对的key，按照CRC16算法计算一个16 bit的值
2.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

那么，这些哈希槽又是如何被映射到具体的Redis实例上的呢？

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。

举个例子，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。

PS：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。

3.3 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。

但是，在集群中，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：

在集群中，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。

此时，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。

我画一张图来说明一下，MOVED重定向命令的使用方法。可以看到，由于负载均衡，Slot 2中的数据已经从实例2迁移到了实例3，但是，客户端缓存仍然记录着“Slot 2在实例2”的信息，所以会给实例2发送命令。实例2给客户端返回一条MOVED命令，把Slot 2的最新位置（也就是在实例3上），返回给客户端，客户端就会再次向实例3发送请求，同时还会更新本地缓存，把Slot 2与实例的对应关系更新过来。

需要注意的是，在上图中，当客户端给实例2发送命令时，Slot 2中的数据已经全部迁移到了实例3。**在实际应用时，如果Slot 2中的数据比较多，就可能会出现一种情况：客户端向实例2发送请求，但此时，Slot 2中的数据只有一部分迁移到了实例3，还有部分数据没有迁移。**在这种迁移部分完成的情况下，客户端就会收到一条ASK报错信息，如下所示：

GET hello:key
(error) ASK 13320 172.16.19.5:6379

这个结果中的ASK命令就表示，客户端请求的键值对所在的哈希槽13320，在172.16.19.5这个实例上，但是这个哈希槽正在迁移。此时，客户端需要先给172.16.19.5这个实例发送一个ASKING命令。这个命令的意思是，让这个实例允许执行客户端接下来发送的命令。然后，客户端再向这个实例发送GET命令，以读取数据。

在下图中，Slot 2正在从实例2往实例3迁移，key1和key2已经迁移过去，key3和key4还在实例2。客户端向实例2请求key2后，就会收到实例2返回的ASK命令。

ASK命令表示两层含义：第一，表明Slot数据还在迁移中；第二，ASK命令把客户端所请求数据的最新实例地址返回给客户端，此时，客户端需要给实例3发送ASKING命令，然后再发送操作命令。

和MOVED命令不同，ASK命令并不会更新客户端缓存的哈希槽分配信息。所以，在上图中，如果客户端再次请求Slot 2中的数据，它还是会给实例2发送请求。这也就是说，ASK命令的作用只是让客户端能给新实例发送一次请求，而不像MOVED命令那样，会更改本地缓存，让后续所有命令都发往新实例。

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