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
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