Redis分片集群的實現(xiàn)
1. Redis Cluster的核心概念
哈希槽(Hash Slots)
Redis Cluster使用哈希槽來實現(xiàn)數(shù)據(jù)分片。整個數(shù)據(jù)空間被劃分為16384個哈希槽(slot),這些槽均勻分布到不同的主節(jié)點上。
- 哈希計算:對于每一個鍵,Redis使用CRC16算法計算其哈希值,并對16384取模,確定該鍵屬于哪個哈希槽。
- 槽分配:每個主節(jié)點負責一部分哈希槽。例如,如果有三個主節(jié)點,它們可以分別負責5461個哈希槽。
主從復制與故障轉(zhuǎn)移
為了保證高可用性,每個主節(jié)點都有一個或多個從節(jié)點。當主節(jié)點發(fā)生故障時,集群會自動進行故障轉(zhuǎn)移,提升其中一個從節(jié)點為新的主節(jié)點。
- 主從同步:從節(jié)點會持續(xù)地從主節(jié)點同步數(shù)據(jù),以保持數(shù)據(jù)的一致性。同步過程包括全量同步和增量同步。
- 故障檢測與恢復:集群中的節(jié)點會定期交換信息,監(jiān)測其他節(jié)點的狀態(tài)。如果某個主節(jié)點失效,集群會選擇一個從節(jié)點升級為主節(jié)點,并重新分配哈希槽。
2. 詳細的配置步驟
準備節(jié)點
假設(shè)我們有6個Redis實例(3個主節(jié)點和3個從節(jié)點),分別運行在不同的端口上。
節(jié)點配置示例 (redis-node.conf)
每個節(jié)點的配置文件略有不同,主要是端口號和角色的不同。以下是每個節(jié)點的配置文件示例:
主節(jié)點1: redis-node1.conf (Port: 7000)
# 端口號 port 7000 # 啟用集群模式 cluster-enabled yes # 集群配置文件路徑,用于存儲集群狀態(tài)信息 cluster-config-file nodes-7000.conf # 節(jié)點超時時間(毫秒),超過此時間未響應(yīng)視為故障 cluster-node-timeout 5000 # 開啟AOF持久化 appendonly yes # 可選配置項 # 設(shè)置密碼保護 # requirepass yourpassword # 設(shè)置最大內(nèi)存使用量 # maxmemory 2gb # 設(shè)置持久化策略 # appendfsync everysec
從節(jié)點1: redis-node2.conf (Port: 7001)
# 端口號 port 7001 # 啟用集群模式 cluster-enabled yes # 集群配置文件路徑,用于存儲集群狀態(tài)信息 cluster-config-file nodes-7001.conf # 節(jié)點超時時間(毫秒),超過此時間未響應(yīng)視為故障 cluster-node-timeout 5000 # 開啟AOF持久化 appendonly yes # 設(shè)置從節(jié)點的主節(jié)點 slaveof 127.0.0.1 7000 # 可選配置項 # 設(shè)置密碼保護 # requirepass yourpassword # 設(shè)置最大內(nèi)存使用量 # maxmemory 2gb # 設(shè)置持久化策略 # appendfsync everysec
主節(jié)點2: redis-node3.conf (Port: 7002)
port 7002 cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-7002.conf cluster-node-timeout 5000 appendonly yes
從節(jié)點2: redis-node4.conf (Port: 7003)
port 7003 cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-7003.conf cluster-node-timeout 5000 appendonly yes slaveof 127.0.0.1 7002
主節(jié)點3: redis-node5.conf (Port: 7004)
port 7004 cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-7004.conf cluster-node-timeout 5000 appendonly yes
從節(jié)點3: redis-node6.conf (Port: 7005)
port 7005 cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-7005.conf cluster-node-timeout 5000 appendonly yes slaveof 127.0.0.1 7004
啟動節(jié)點
依次啟動所有節(jié)點:
redis-server /path/to/redis-node1.conf redis-server /path/to/redis-node2.conf redis-server /path/to/redis-node3.conf redis-server /path/to/redis-node4.conf redis-server /path/to/redis-node5.conf redis-server /path/to/redis-node6.conf
創(chuàng)建集群
使用redis-cli
工具創(chuàng)建集群:
redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005 --cluster-replicas 1
這里的--cluster-replicas 1
表示每個主節(jié)點有一個從節(jié)點。
3. 實際操作示例
寫入數(shù)據(jù)
你可以像平常一樣寫入數(shù)據(jù),Redis Cluster會自動將數(shù)據(jù)分配到合適的節(jié)點上。
redis-cli -c -p 7000 127.0.0.1:7000> SET key1 value1 -> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002 OK
注意這里-c
參數(shù)表示啟用集群模式,這樣客戶端會自動處理重定向命令。
讀取數(shù)據(jù)
讀取數(shù)據(jù)時,同樣可以通過任意節(jié)點訪問:
redis-cli -c -p 7000 127.0.0.1:7000> GET key1 -> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002 "value1"
故障模擬與恢復
你可以手動關(guān)閉一個主節(jié)點來模擬故障,并觀察集群如何進行自動故障轉(zhuǎn)移。
關(guān)閉主節(jié)點
redis-cli -p 7002 shutdown
檢查集群狀態(tài)
redis-cli -p 7000 cluster nodes
你應(yīng)該看到原來的從節(jié)點已經(jīng)被提升為主節(jié)點,并接管了原主節(jié)點的哈希槽。
4. Redis Cluster的內(nèi)部機制
數(shù)據(jù)分片與重定向
- 數(shù)據(jù)分片:每個鍵通過哈希槽映射到特定的主節(jié)點??蛻舳税l(fā)送的請求會被路由到相應(yīng)的節(jié)點。
- 重定向:如果客戶端請求了一個不屬于當前節(jié)點的哈希槽,集群會返回一個
MOVED
響應(yīng),指示客戶端應(yīng)該連接到正確的節(jié)點,客戶端收到這個響應(yīng)后,會自動重定向到指定的節(jié)點。
# 連接到集群中的任意節(jié)點 redis-cli -c -p 7000 # 嘗試設(shè)置一個鍵 127.0.0.1:7000> SET key1 value1 -> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002 OK # 從同一個客戶端再次嘗試獲取相同的鍵 127.0.0.1:7000> GET key1 -> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002 "value1"
主從復制與故障轉(zhuǎn)移
- 主從同步:從節(jié)點會持續(xù)地從主節(jié)點同步數(shù)據(jù),以保持數(shù)據(jù)的一致性。同步過程包括全量同步和增量同步。
- 全量同步:首次同步時,從節(jié)點會從主節(jié)點獲取完整的數(shù)據(jù)集。
- 過程:從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)起全量同步請求,主節(jié)點生成RDB文件并傳輸給從節(jié)點。從節(jié)點加載RDB文件并開始接收后續(xù)的增量更新。
- 增量同步:后續(xù)同步時,從節(jié)點會接收主節(jié)點的增量更新(如寫操作日志)。
- 過程:主節(jié)點記錄寫操作日志(稱為復制積壓緩沖區(qū)),從節(jié)點根據(jù)偏移量請求缺失的部分日志。
- 全量同步:首次同步時,從節(jié)點會從主節(jié)點獲取完整的數(shù)據(jù)集。
- 故障檢測:集群中的節(jié)點會定期交換信息,監(jiān)測其他節(jié)點的狀態(tài)。如果某個主節(jié)點連續(xù)多次未能響應(yīng)心跳消息,它會被標記為疑似下線(PFAIL)。
- 心跳檢查:每個節(jié)點會定期向其他節(jié)點發(fā)送心跳消息,默認間隔是1秒。
- 標記PFAIL:如果一個節(jié)點在一定時間內(nèi)沒有回應(yīng)心跳消息,它會被標記為疑似下線(PFAIL)。
- 標記FAIL:如果大多數(shù)節(jié)點都標記某個節(jié)點為PFAIL,則該節(jié)點會被標記為FAIL。
- 故障轉(zhuǎn)移:一旦主節(jié)點被確認下線,集群會選擇一個從節(jié)點提升為主節(jié)點,并重新分配哈希槽。具體步驟如下:選舉:集群中的節(jié)點會選舉一個新的主節(jié)點。選舉過程基于Raft一致性算法,確保只有一個從節(jié)點被選中。
- 投票過程:每個從節(jié)點會根據(jù)一定的規(guī)則投票給一個候選者。最終得票最多的從節(jié)點會被選為新的主節(jié)點。
- 部分同步:如果從節(jié)點已經(jīng)有部分數(shù)據(jù),可以只同步缺失的部分數(shù)據(jù)。
- 全量同步:如果從節(jié)點的數(shù)據(jù)完全丟失,需要進行全量同步。
重新分配哈希槽:新的主節(jié)點接管原主節(jié)點的哈希槽,集群恢復正常服務(wù)。
5. 總結(jié)
Redis Cluster通過哈希槽實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式存儲,并提供了高可用性和自動故障轉(zhuǎn)移功能。這使得它非常適合于需要處理大量數(shù)據(jù)和高并發(fā)請求的應(yīng)用場景。同時,現(xiàn)代的Redis客戶端庫也能夠很好地支持集群模式下的自動重定向和負載均衡。
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