redis的三种集群模式原理

一、主从同步/复制

通过持久化功能，Redis保证了即使在服务器重启的情况下也不会丢失（或少量丢失）数据，因为持久化会把内存中数据保存到硬盘上，重启会从硬盘上加载数据。但是由于数据是存储在一台服务器上的，如果这台服务器出现硬盘故障等问题，也会导致数据丢失。

为了避免单点故障，通常的做法是将数据库复制多个副本以部署在不同的服务器上，这样即使有一台服务器出现故障，其他服务器依然可以继续提供服务。为此， Redis 提供了复制（replication）功能，可以实现当一台数据库中的数据更新后，自动将更新的数据同步到其他数据库上。

在复制的概念中，数据库分为两类，一类是主数据库（master），另一类是从数据库(slave）。主数据库可以进行读写操作，当写操作导致数据变化时会自动将数据同步给从数据库。而从数据库一般是只读的，并接受主数据库同步过来的数据。一个主数据库可以拥有多个从数据库，而一个从数据库只能拥有一个主数据库。

主从复制特点

* 主数据库可以进行读写操作，当读写操作导致数据变化时会自动将数据同步给从数据库* 从数据库一般都是只读的，并且接收主数据库同步过来的数据* 一个master可以拥有多个slave，但是一个slave只能对应一个master* slave挂了不影响其他slave的读和master的读和写，重新启动后会将数据从master同步过来* master挂了以后，不影响slave的读，但redis不再提供写服务，master重启后redis将重新对外提供写服务* master挂了以后，不会在slave节点中重新选一个master

优点：

支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离；
为了分载Master的读操作压力，Slave服务器可以为客户端提供只读操作的服务，写服务仍然必须由Master来完成；
Slave同样可以接受其它Slaves的连接和同步请求，这样可以有效的分载Master的同步压力；
Master Server是以非阻塞的方式为Slaves提供服务。所以在Master-Slave同步期间，客户端仍然可以提交查询或修改请求；
Slave Server同样是以非阻塞的方式完成数据同步。在同步期间，如果有客户端提交查询请求，Redis则返回同步之前的数据；

缺点：

Redis不具备自动容错和恢复功能，主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复；
主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性；
如果多个Slave断线了，需要重启的时候，尽量不要在同一时间段进行重启。因为只要Slave启动，就会发送sync请求和主机全量同步，当多个 Slave 重启的时候，可能会导致 Master IO剧增从而宕机。
Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂；
二、哨兵模式

第一种主从同步/复制的模式，当主服务器宕机后，需要手动把一台从服务器切换为主服务器，这就需要人工干预，费事费力，还会造成一段时间内服务不可用。这不是一种推荐的方式，更多时候，我们优先考虑哨兵模式。

哨兵模式是一种特殊的模式，首先Redis提供了哨兵的命令，哨兵是一个独立的进程，作为进程，它会独立运行。其原理是哨兵通过发送命令，等待Redis服务器响应，从而监控运行的多个Redis实例。

哨兵模式的作用：

通过发送命令，让Redis服务器返回监控其运行状态，包括主服务器和从服务器；
当哨兵监测到master宕机，会自动将slave切换成master，然后通过发布订阅模式通知其他的从服务器，修改配置文件，让它们切换主机；
然而一个哨兵进程对Redis服务器进行监控，也可能会出现问题，为此，我们可以使用多个哨兵进行监控。各个哨兵之间还会进行监控，这样就形成了多哨兵模式。

故障切换的过程：

假设主服务器宕机，哨兵1先检测到这个结果，系统并不会马上进行 failover 过程，仅仅是哨兵1主观的认为主服务器不可用，这个现象成为主观下线。当后面的哨兵也检测到主服务器不可用，并且数量达到一定值时，那么哨兵之间就会进行一次投票，投票的结果由一个哨兵发起，进行 failover 操作。切换成功后，就会通过发布订阅模式，让各个哨兵把自己监控的从服务器实现切换主机，这个过程称为客观下线。这样对于客户端而言，一切都是透明的。

哨兵模式的工作方式：

每个Sentinel（哨兵）进程以每秒钟一次的频率向整个集群中的Master主服务器，Slave从服务器以及其他Sentinel（哨兵）进程发送一个 PING 命令。
如果一个实例（instance）距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过 down-after-milliseconds 选项所指定的值，则这个实例会被 Sentinel（哨兵）进程标记为主观下线（SDOWN）
如果一个Master主服务器被标记为主观下线（SDOWN），则正在监视这个Master主服务器的所有 Sentinel（哨兵）进程要以每秒一次的频率确认Master主服务器的确进入了主观下线状态
当有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程（大于等于配置文件指定的值）在指定的时间范围内确认Master主服务器进入了主观下线状态（SDOWN），则Master主服务器会被标记为客观下线（ODOWN）
在一般情况下，每个 Sentinel（哨兵）进程会以每 10 秒一次的频率向集群中的所有Master主服务器、Slave从服务器发送 INFO 命令。
当Master主服务器被 Sentinel（哨兵）进程标记为客观下线（ODOWN）时，Sentinel（哨兵）进程向下线的 Master主服务器的所有 Slave从服务器发送 INFO 命令的频率会从 10 秒一次改为每秒一次。
若没有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程同意 Master主服务器下线， Master主服务器的客观下线状态就会被移除。若 Master主服务器重新向 Sentinel（哨兵）进程发送 PING 命令返回有效回复，Master主服务器的主观下线状态就会被移除。

优点：

哨兵模式是基于主从模式的，所有主从的优点，哨兵模式都具有。
主从可以自动切换，系统更健壮，可用性更高。

缺点：

Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

脑裂现象：

什么是脑裂？

所谓脑裂问题(类似于精神分裂)，就是同一个集群中的不同节点，对于集群的状态有了不一样的理解。

哨兵模式造成的redis脑裂现象原因？

举例(1主1从2哨兵的情况),由于网络原因或者一些特殊原因，哨兵失去了对master节点器的感知，将会通过选举进行故障转移，将slave节点提升为master节点，这就导致了当前集群中有2个master，这就是脑裂现象的体现。不同的 client 链接到不同的 redis 进行读写，那么在两台机器上的 redis 数据，就出现了不一致的现象了。当哨兵恢复对老master节点的感知后，会将其降级为slave节点，然后从新maste同步数据(full resynchronization)，导致脑裂期间老master写入的数据丢失，完犊子了。

解决方案

redis.conf 修改属性，通过活跃slave节点数和数据同步延迟时间来限制master节点的写入操作。

# master 至少有 x 个副本连接。

min-slaves-to-write x

# 数据复制和同步的延迟不能超过 x 秒。

min-slaves-max-lag x

木桶效应

三、Cluster 集群
Redis 的哨兵模式基本已经可以实现高可用，读写分离，但是在这种模式下每台 Redis 服务器都存储相同的数据，很浪费内存，所以在redis3.0上加入了 Cluster 集群模式，实现了 Redis 的分布式存储，也就是说每台 Redis 节点上存储不同的内容。

集群的配置

根据官方推荐，集群部署至少要 3 台以上的master节点，最好使用 3 主 3 从六个节点的模式。在测试环境中，只能在一台机器上面开启6个服务实例来模拟。

集群的特点

所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制),内部使用二进制协议优化传输速度和带宽。

节点的fail是通过集群中超过半数的节点检测失效时才生效。

客户端与 Redis 节点直连,不需要中间代理层.客户端不需要连接集群所有节点,连接集群中任何一个可用节点即可。

所有的节点都是一主一从（也可以是一主多从），其中从不提供服务，仅作为备用

支持在线增加、删除节点

客户端可以连接任何一个主节点进行读写

集群的工作方式

在 Redis 的每一个节点上，都有这么两个东西，一个是插槽（slot），它的的取值范围是：0-16383。还有一个就是cluster，可以理解为是一个集群管理的插件。当我们的存取的 Key到达的时候，Redis 会根据 crc16的算法得出一个结果，然后把结果对 16384 求余数，这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作。

Redis 集群使用数据分片（sharding）而非一致性哈希（consistency hashing）来实现：一个 Redis 集群包含 16384 个哈希槽（hash slot），数据库中的每个键都属于这 16384 个哈希槽的其中一个，集群使用公式 CRC16(key) % 16384 来计算键 key 属于哪个槽，其中 CRC16(key) 语句用于计算键 key 的 CRC16 校验和。

集群中的每个节点负责处理一部分哈希槽。举个例子，一个集群可以有三个哈希槽，其中：

节点 A 负责处理 0 号至 5500 号哈希槽。
节点 B 负责处理 5501 号至 11000 号哈希槽。
节点 C 负责处理 11001 号至 16384 号哈希槽。
这种将哈希槽分布到不同节点的做法使得用户可以很容易地向集群中添加或者删除节点。

为了保证高可用，redis-cluster集群引入了主从模式，一个主节点对应一个或者多个从节点，当主节点宕机的时候，就会启用从节点。当其它主节点ping一个主节点A时，如果半数以上的主节点与A通信超时，那么认为主节点A宕机了。如果主节点A和它的从节点A1都宕机了，那么该集群就无法再提供服务了。

哨兵和集群得区别

哨兵

哨兵的作用就是监控Redis系统的运行状况。它的功能包括以下两个。
监控主数据库和从数据库是否正常运行。
主数据库出现故障时自动将从数据库转换为主数据库。
sentinel发现master挂了后，就会从slave中重新选举一个master。
哨兵模式强调高可用
Sentinel 系统用于管理多个 Redis 服务器（instance），该系统执行以下三个任务：
监控（Monitoring）： Sentinel 会不断地检查你的主服务器和从服务器是否运作正常。
提醒（Notification）：当被监控的某个 Redis 服务器出现问题时， Sentinel 可以通过 API 向管理员或者其他应用程序发送通知。
自动故障迁移（Automatic failover）：当一个主服务器不能正常工作时， Sentinel 会开始一次自动故障迁移操作，它会将失效主服务器的其中一个从服务器升级为新的主服务器，并让失效主服务器的其他从服务器改为复制新的主服务器；当客户端试图连接失效的主服务器时，集群也会向客户端返回新主服务器的地址，使得集群可以使用新主服务器代替失效服务器。
客户端中不会记录redis的地址（某个IP），而是记录sentinel的地址，这样我们可以直接从sentinel获取的redis地址，因为sentinel会对所有的master、slave进行监控，它是知道到底谁才是真正的master的，例如我们故障转移，这时候对于sentinel来说，master是变了的，然后通知客户端。而客户端根本不用关心到底谁才是真正的master，只关心sentinel告知的master。

集群
即使使用哨兵，redis每个实例也是全量存储，每个redis存储的内容都是完整的数据，浪费内存且有木桶效应。为了最大化利用内存，可以采用集群，就是分布式存储。即每台redis存储不同的内容，共有16384个slot。每个redis分得一些slot，hash_slot = crc16(key) mod 16384 找到对应slot，键是可用键，如果有{}则取{}内的作为可用键，否则整个键是可用键
集群至少需要3主3从，且每个实例使用不同的配置文件，主从不用配置，集群会自己选。
cluster是为了解决单机Redis容量有限的问题，将数据按一定的规则分配到多台机器。
集群模式提高并发量。