数据库系列文章：

关系型数据库:

• MySQL —— 基础语法大全
• MySQL —— 进阶

非关系型数据库:

• 一、Redis 的安装与配置
• 二、Redis 基本命令（上）
• 三、Redis 基本命令（下）
• 四、Redis 持久化
• 五、Redis 主从集群

六、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。

6.1 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。

6.1.1 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。

⭐️（1）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。

⭐️（2）时间片轮转分区算法

    在某个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。

⭐️（3）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。

⭐️（4）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。

6.1.2 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。

⭐️（1）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 / 减半缩容 方式，以减少扩容时数据迁移的比例。

⭐️（2）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。

⭐️（3）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, 16384]。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) 。(位运算比数学运算快！！！)

6.2 系统搭建与运行

6.2.1 系统搭建

⭐️（1） 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。

⭐️（2） 删除持久化文件

    先将之前“ Redis 主从集群 ”中在 Redis 安装目录下生成的 RDB 持久化文件 dump638*.conf 与 AOF 持久化文件 删除。因为 Redis 分布式系统要求创建在一个空的数据库之上。注意， AOF 持久化文件全部在 appendonlydir 目录中。

rm -rf dump638*.rdb appendonlydir638*.aof

⭐️（3） 创建目录

    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。

mkdir cluster-dis

⭐️（4） 复制 2 个 配置文件

    将 cluster 目录中的 redis.conf 与 redis6380.conf 文件复制到 cluster-dis 目录。

cd cluster-dis/
cp ../cluster/redis.conf ./
cp ../cluster/redis6380.conf ./

⭐️（5） 修改 redis.conf

    对于redis.conf 配置文件，主要涉及到以下三个四个属性：

A、 dir

    指定工作目录为前面创建的 cluster-dis 目录。持久化文件、节点配置文件将来都会在工作目录中自动生成。

命令模型下：

• 输入:set nu 显示行号
• 输入:set nonu 不显示行号

B、 cluster-enabled

    该属性用于开启 Redis 的集群模式。

C、 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。

D、 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。

⭐️（6） 修改 redis6380.conf

# 加上
cluster-config-file nodes-6380.conf

    仅添加一个 cluster-config-file 属性即可。

⭐️（7） 复制 5 个 配置文件

    使用 redis6380.conf 复制出 5 个配置文件 redis6381.conf 、 redis6382.conf 、 redis6383.conf 、redis6384.conf 、 redis6385.conf 。

cp redis6380.conf redis6381.conf
cp redis6380.conf redis6382.conf
cp redis6380.conf redis6383.conf
cp redis6380.conf redis6384.conf
cp redis6380.conf redis6385.conf

    cluster-dis 中出现了 7 个配置文件。

⭐️（8） 修改 5 个配置文件

    修改5 个配置文件 redis6381.conf 、 redis6382.conf 、 redis6383.conf 、 redis6384.conf 、redis6385.conf 的内容，将其中所有涉及 的 端口号 全部替换为当前文件名称中的端口号。例如，下面的是 redis6381.conf 的配置文件内容。

# 进入6381-6385 5个配置文件分别修改
vim redis6381.conf

# 在命令模式下输入，将6380全部替换为6381
:%s/6380/6381 

# 保存
:x

6.2.2 系统启动与关闭

⭐️（1） 启动节点

    启动所有 Redis 节点。

redis-server redis6380.conf
redis-server redis6381.conf
redis-server redis6382.conf
redis-server redis6383.conf
redis-server redis6384.conf
redis-server redis6385.conf

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

⭐️（2） 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。

# ip 换成自己的
redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.216.128:6380 192.168.216.128:6381 192.168.216.128:6382 192.168.216.128:6383 192.168.216.128:6384 192.168.216.128:6385

   &enspi;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：

⭐️（3） 测试系统

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。

⭐️（4） 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

分布式系统启停脚本：

• 由于集群启动要一下启动好几个，所以可以写一个脚本 start-redis-cluster.sh 进行启动：

#!/bin/bash
rm -rf dump638*.rdb
rm -rf nodes-638*.conf

redis-server redis6380.conf
redis-server redis6381.conf
redis-server redis6382.conf
redis-server redis6383.conf
redis-server redis6384.conf
redis-server redis6385.conf

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.216.128:6380 192.168.216.128:6381 192.168.216.128:6382 192.168.216.128:6383 192.168.216.128:6384 192.168.216.128:6385

# 再将 start-redis-cluster.sh 设置为可执行文件
chmod 755 start-redis-cluster.sh

• 关闭脚本

#!/bin/bash
redis-cli -p 6380 shutdown
redis-cli -p 6381 shutdown
redis-cli -p 6382 shutdown
redis-cli -p 6383 shutdown
redis-cli -p 6384 shutdown
redis-cli -p 6385 shutdown

ps aux | grep redis

# 再将 start-redis-cluster.sh 设置为可执行文件
chmod 755 shutdown-redis-cluster.sh

脚本写好后运行脚本进行分布式系统启停

# 开启
./start-redis-cluster.sh

# 查看是否启动成功
redis-cli -c -p 6381 cluster nodes

# 关闭
./shutdown-redis-cluster.sh

注意：生产环境下，是在真实的主机上，这些脚本是用不上的！

6.3 集群操作

6.3.1 连接集群

    无论要怎样操作分布式系统，都需要首先连接上。

redis-cli -c -p 6380

    与之前单机连接相比的唯一区别就是增加了参数 -c 。

6.3.2 写入数据

⭐️（1） 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，

⭐️（2） 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。

6.3.3 集群查询

⭐️（1） 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

⭐️（2） 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。

cluster countkeysinslot 13178

⭐️（3） 查询 slot 中的 key

    通过 cluster getkeysinslot 命令可以查看当前主机指定 slot 所包含的 key 。

cluster getkeysinslot 13178 3

6.3.4 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 。

⭐️（1） 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 6384 节点 。

    为了模拟 6382 宕机，直接将其 shutdown 。

    通过客户端连接上 6384 节点后可以查看到，其已经自动晋升为了 master 。

redis-cli -c -p 6384

    重启 6382 节点后查看其角色，发现其 自动成为 了 6384 节点的 slave 。

• 之所以 6382 能被发现，找到原来那个 master ，是因为原来就在这个分布式系统里面，所有的配置都有；
• 如果再加一个新的节点，就不会那么简单了！

⭐️（2） 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。

6.3.5 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。

⭐️（1） 复制并修改 2 个配置文件

    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。

⭐️（2） 启动系统 与 2 个节点

    由于要演示的是在分布式系统运行期间的动态扩容，所以这里先启动分布式系统。

    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。

redis-server redis6386.conf
redis-server redis6387.conf

⭐️（3） 添加 master 节点

redis-cli -c --cluster add-node 192.168.216.128:6386 192.168.216.128:6380

    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 。

redis-cli -c -p 6386 cluster nodes

⭐️（4） 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。

redis-cli -c --cluster reshard 192.168.216.128:6380

    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。

⭐️（5） 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 。

redis-cli --cluster add-node 192.168.216.128:6387 192.168.216.128:6380 --cluster-slave --cluster-master-id 5bdccf9f756957e268c7e7d73c3dcec1d3c941be

    回车后可看到如下的日志 ，说明添加成功。

    此时再通过 redis-cli -c -p 6386 cluster nodes 命令可以看到其已经添加成功，且为指定 master 的 slave 。

6.3.6 集群收缩

    下面要将 slave 节点 6387 与 master 节点 6386 从分布式系统中删除。

⭐️（1） 删除 slave 节点

    对于 slave 节点，可以直接通过 redis-cli --cluster del-node <delHost>:<delPort> delNodeID 命令删除。

redis-cli --cluster del-node 192.168.216.128:6387 8242a1ad50eef3e52cb1b72d1192e98a2d56676f

    此时再查看集群，发现已经没有了 6387 节点。

⭐️（2） 移出 master 的 slot

    在删除一个 master 之前，必须要保证该 master 上 没有分配 slot 。否则无法删除。所以，在删除一个 master 之前，需要先将其上分配的 slot 移出。

redis-cli -c --cluster reshard 192.168.216.128:6380

    以上交互指定的是将 6386 节点中的 1999 个 slot 移动到 6380 节点。

    注意：

• 要删除的节点所包含的 slot 数量在前面检测结果中都是可以看到的，例如， 6386 中的并不是 2000 个，而是 1999 个
• What is the receiving node ID? 仅能指定一个接收节点回车后继续。
• 再输入源节点的动态IP;
• 输入done

    此时再查看发现， 6386 节点中已经没有 slot 了，变成了 6380 的 slave。

⭐️（3） 删除 master 节点

    此时就可以删除 6386 节点了。

redis-cli --cluster del-node 192.168.216.128:6386 ab090f5fd43cc5acb4b860bff28cf2461844cd2e

    此时再查看集群，发现已经没有了 6386节点。

6.4 分布式系统的限制

    Redis 的分布式系统存在一些使用限制：

• 仅支持 0 号 数据库
• 批量 key 操作支持有限
• 分区 仅限于 key
• 事务支持有限
• 不支持 分级管理

注：仅供学习参考，如有不足，欢迎指正！