分布式缓存

基于Redis集群解决单机Redis存在的问题

 

单机的Redis存在四大问题

 

一、redis持久化

- RDB持久化
- AOF持久化

1.1RDB持久化

RDB全称Redis Database Backup file（Redis数据备份文件），也被叫做Redis数据快照。简单来说就是把内存中的所有数据都记录到磁盘中。当Redis实例故障重启后，从磁盘读取快照文件，恢复数据。

快照文件称为RDB文件，默认是保存在当前运行目录。

Redis停机时会执行一次RDB。

1.执行时机--4种情况下

RDB持久化在四种情况下会执行：

- 执行save命令
- 执行bgsave命令
- Redis停机时
- 触发RDB条件时

1）save命令

执行下面的命令，可以立即执行一次RDB：



save命令会导致主进程执行RDB，这个过程中其它所有命令都会被阻塞。只有在数据迁移时可能用到。



2）bgsave命令

下面的命令可以异步执行RDB：



这个命令执行后会开启独立进程完成RDB，主进程可以持续处理用户请求，不受影响。



3）停机时

Redis停机时会执行一次save命令，实现RDB持久化。



4）触发RDB条件

Redis内部有触发RDB的机制，可以在redis.conf文件中找到，格式如下：


# 900秒内，如果至少有1个key被修改，则执行bgsave ， 如果是save "" 则表示禁用RDB
save 900 1  
save 300 10  
save 60 10000 

 

2.单机安装Redis

首先需要安装Redis所需要的依赖：

yum install -y gcc tcl

然后将下载好的Redis安装包上传到虚拟机的任意目录：

 

例如，我放到了/tmp目录：

 

解压缩：

tar -xzf redis-6.2.4.tar.gz

解压后：

 

 进入redis目录：

cd redis-6.2.4

运行编译命令：

make && make install

如果没有出错，应该就安装成功了。

然后修改redis.conf文件中的一些配置：

# 绑定地址，默认是127.0.0.1，会导致只能在本地访问。修改为0.0.0.0则可以在任意IP访问

bind 0.0.0.0

# 保护模式，关闭保护模式

protected-mode no

# 数据库数量，设置为1

databases 1

启动Redis：

redis-server redis.conf

停止redis服务：

redis-cli shutdown

Redis内部有触发RDB的机制，可以在redis.conf文件中找到，格式如下：

 

RDB的其它配置也可以在redis.conf文件中设置：

 

3.RDB原理

bgsave开始时会fork主进程得到子进程，子进程共享主进程的内存数据。完成fork后读取内存数据并写入 RDB 文件。

fork采用的是copy-on-write技术：

• 当主进程执行读操作时，访问共享内存；
• 当主进程执行写操作时，则会拷贝一份数据，执行写操作。

4.总结：

RDB方式bgsave的基本流程？

• fork主进程得到一个子进程，共享内存空间
• 子进程读取内存数据并写入新的RDB文件
• 用新RDB文件替换旧的RDB文件。

RDB会在什么时候执行？save 60 1000代表什么含义？

• 默认是服务停止时。
• 代表60秒内至少执行1000次修改则触发RDB

RDB的缺点？

• RDB执行间隔时间长，两次RDB之间写入数据有丢失的风险
• fork子进程、压缩、写出RDB文件都比较耗时

1.2AOF持久化

AOF全称为Append Only File（追加文件）。Redis处理的每一个写命令都会记录在AOF文件，可以看做是命令日志文件。

AOF默认是关闭的，需要修改redis.conf配置文件来开启AOF：

AOF的命令记录的频率也可以通过redis.conf文件来配：

 因为是记录命令，AOF文件会比RDB文件大的多。而且AOF会记录对同一个key的多次写操作，但只有最后一次写操作才有意义。通过执行bgrewriteaof命令，可以让AOF文件执行重写功能，用最少的命令达到相同效果。

Redis也会在触发阈值时自动去重写AOF文件。阈值也可以在redis.conf中配置：

# AOF文件比上次文件 增长超过多少百分比则触发重写

auto-aof-rewrite-percentage 100

# AOF文件体积最小多大以上才触发重写

auto-aof-rewrite-min-size 64mb

1.3RDB和AOF的差异

RDB和AOF各有自己的优缺点，如果对数据安全性要求较高，在实际开发中往往会结合两者来使用。

二、Redis主从

2.1搭建主从架构

单节点Redis的并发能力是有上限的，要进一步提高Redis的并发能力，就需要搭建主从集群，实现读写分离。

 Redis主从集群搭建：

2.1.我们搭建的主从集群结构如图：

 

共包含三个节点，一个主节点，两个从节点。

这里我们会在同一台虚拟机中开启3个redis实例，模拟主从集群，信息如下：

 

 2.2准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例，必须准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录也就是工作目录。

1）创建目录

我们创建三个文件夹，名字分别叫7001、7002、7003：

# 进入/tmp目录

cd /tmp

# 创建目录

mkdir 7001 7002 7003

如图：

 

 2）恢复原始配置 修改redis-6.2.4/redis.conf文件，将其中的持久化模式改为默认的RDB模式，AOF保持关闭状态。

# 开启RDB

# save ""

save 3600 1

save 300 100

save 60 10000

# 关闭AOF

appendonly no

3）拷贝配置文件到每个实例目录

然后将redis-6.2.4/redis.conf文件拷贝到三个目录中（在/tmp目录执行下列命令）：

# 方式一：逐个拷贝

cp redis-6.2.4/redis.conf 7001

cp redis-6.2.4/redis.conf 7002

cp redis-6.2.4/redis.conf 7003

# 方式二：管道组合命令，一键拷贝 echo 7001 7002 7003 | xargs -t -n 1 cp redis-6.2.4/redis.conf 4）修改每个实例的端口、工作目录

修改每个文件夹内的配置文件，将端口分别修改为7001、7002、7003，将rdb文件保存位置都修改为自己所在 目录（在/tmp目录执行下列命令）：

sed -i -e 's/6379/7001/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7001\//g' 7001/redis.conf

sed -i -e 's/6379/7002/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7002\//g' 7002/redis.conf

sed -i -e 's/6379/7003/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7003\//g' 7003/redis.conf

5）修改每个实例的声明IP

虚拟机本身有多个IP，为了避免将来混乱，我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息，格式如 下：

# redis实例的声明 IP

replica-announce-ip 192.168.150.101

每个目录都要改，我们一键完成修改（在/tmp目录执行下列命令）：

# 逐一执行

sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7001/redis.conf

sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7002/redis.conf

sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7003/redis.conf

# 或者一键修改

printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' {}/redis.conf

2.3.启动

为了方便查看日志，我们打开3个ssh窗口，分别启动3个redis实例，启动命令：

# 第1个

redis-server 7001/redis.conf

# 第2个

redis-server 7002/redis.conf

# 第3个

redis-server 7003/redis.conf

启动后：

 

如果要一键停止，可以运行下面命令：

printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown

2.4.开启主从关系

现在三个实例还没有任何关系，要配置主从可以使用replicaof 或者slaveof（5.0以前）命令。

有临时和永久两种模式：

修改配置文件（永久生效） 在redis.conf中添加一行配置：slaveof  <masterip> <masterport>

使用redis-cli客户端连接到redis服务，执行slaveof命令（重启后失效）：

slaveof  <masterip> <masterport>

注意：在5.0以后新增命令replicaof，与salveof效果一致。

这里我们为了演示方便，使用方式二。

通过redis-cli命令连接7002，执行下面命令：

# 连接 7002

redis-cli -p 7002

# 执行slaveof

slaveof 192.168.150.101 7001

通过redis-cli命令连接7003，执行下面命令：

# 连接 7003

redis-cli -p 7003

# 执行slaveof

slaveof 192.168.150.101 7001

然后连接 7001节点，查看集群状态：

# 连接 7001

redis-cli -p 7001

# 查看状态

info replication

结果：

 

2.5.测试

执行下列操作以测试：

• 利用redis-cli连接7001，执行set num 123
• 利用redis-cli连接7002，执行get num，再执行set num 666
• 利用redis-cli连接7003，执行get num，再执行set num 888

可以发现，只有在7001这个master节点上可以执行写操作，7002和7003这两个slave节点只能执行读操作。

 总结：

假设有A、B两个Redis实例，如何让B作为A的slave节点？

• 在B节点执行命令：slaveof A的IP A的port

2.2主从数据同步原理

数据同步原理

主从第一次同步是全量同步：

master如何判断slave是不是第一次来同步数据？这里会用到两个很重要的概念：

• Replication Id：简称replid，是数据集的标记，id一致则说明是同一数据集。每一个master都有唯一的replid，slave则会继承master节点的replid
• offset：偏移量，随着记录在repl_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步时也会记录当前同步的offset。如果slave的offset小于master的offset，说明slave数据落后于master，需要更新。 因此slave做数据同步，必须向master声明自己的replication id 和offset，master才可以判断到底需要同步哪些数据 

思考一下：

master如何判断slave节点是不是第一次来做数据同步？

主从第一次同步是全量同步

总结：

简述全量同步的流程？

• slave节点请求增量同步
• master节点判断replid，发现不一致，拒绝增量同步
• master将完整内存数据生成RDB，发送RDB到slave
• slave清空本地数据，加载master的RDB
• master将RDB期间的命令记录在repl_baklog，并持续将log中的命令发送给slave
• slave执行接收到的命令，保持与master之间的同步

主从第一次同步是全量同步

主从第一次同步是全量同步，但如果slave重启后同步，则执行增量同步

注意：

repl_baklog大小有上限，写满后会覆盖最早的数据。如果slave断开时间过久，导致尚未备份的数据被覆盖，则无法基于log做增量同步，只能再次全量同步。

可以从以下几个方面来优化Redis主从就集群：

• 在master中配置repl-diskless-sync yes启用无磁盘复制，避免全量同步时的磁盘IO。
• Redis单节点上的内存占用不要太大，减少RDB导致的过多磁盘IO
• 适当提高repl_baklog的大小，发现slave宕机时尽快实现故障恢复，尽可能避免全量同步
• 限制一个master上的slave节点数量，如果实在是太多slave，则可以采用主-从-从链式结构，减少master压力

总结：

简述全量同步和增量同步区别？

• 全量同步：master将完整内存数据生成RDB，发送RDB到slave。后续命令则记录在repl_baklog，逐个发送给slave。
• 增量同步：slave提交自己的offset到master，master获取repl_baklog中从offset之后的命令给slave

什么时候执行全量同步？

• slave节点第一次连接master节点时 slave节点断开时间太久，repl_baklog中的offset已经被覆盖时

什么时候执行增量同步？

• slave节点断开又恢复，并且在repl_baklog中能找到offset时

思考：

slave节点宕机恢复后可以找master节点同步数据，那master节点宕机怎么办？

三、Redis哨兵

3.1哨兵的作用和原理

哨兵的作用

Redis提供了哨兵（Sentinel）机制来实现主从集群的自动故障恢复。哨兵的结构和作用如下：

• 监控：Sentinel 会不断检查您的master和slave是否按预期工作
• 自动故障恢复：如果master故障，Sentinel会将一个slave提升为master。当故障实例恢复后也以新的master为主
• 通知：Sentinel充当Redis客户端的服务发现来源，当集群发生故障转移时，会将最新信息推送给Redis的客户端

服务状态监控

 Sentinel基于心跳机制监测服务状态，每隔1秒向集群的每个实例发送ping命令：

• 主观下线：如果某sentinel节点发现某实例未在规定时间响应，则认为该实例主观下线。
• 客观下线：若超过指定数量（quorum）的sentinel都认为该实例主观下线，则该实例客观下线。quorum值最好超过Sentinel实例数量的一半。

选举新的master

一旦发现master故障，sentinel需要在salve中选择一个作为新的master，选择依据是这样的：

• 首先会判断slave节点与master节点断开时间长短，如果超过指定值（down-after-milliseconds * 10）则会排除该slave节点
• 然后判断slave节点的slave-priority值，越小优先级越高，如果是0则永不参与选举
• 如果slave-prority一样，则判断slave节点的offset值，越大说明数据越新，优先级越高
• 最后是判断slave节点的运行id大小，越小优先级越高。

如何实现故障转移

当选中了其中一个slave为新的master后（例如slave1），故障的转移的步骤如下：

• sentinel给备选的slave1节点发送slaveof no one命令，让该节点成为master
• sentinel给所有其它slave发送slaveof 192.168.150.101 7002 命令，让这些slave成为新master的从节点，开始从新的master上同步数据。
• 最后，sentinel将故障节点标记为slave，当故障节点恢复后会自动成为新的master的slave节点

 总结：

Sentinel的三个作用是什么？

• 监控
• 故障转移
• 通知

Sentinel如何判断一个redis实例是否健康？

• 每隔1秒发送一次ping命令，如果超过一定时间没有相向则认为是主观下线
• 如果大多数sentinel都认为实例主观下线，则判定服务下线

故障转移步骤有哪些？

• 首先选定一个slave作为新的master，执行slaveof no one
• 然后让所有节点都执行slaveof 新master
• 修改故障节点，执行slaveof 新master

3.2搭建哨兵集群

1.集群结构

 这里我们搭建一个三节点形成的Sentinel集群，来监管之前的Redis主从集群。如图：

 

三个sentinel实例信息如下：

2.准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例，必须准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录也就是工作目录。

我们创建三个文件夹，名字分别叫s1、s2、s3：

# 进入/tmp目录

cd /tmp

# 创建目录

mkdir s1 s2 s3

如图：

 

然后我们在s1目录创建一个sentinel.conf文件，添加下面的内容：

port 27001

sentinel announce-ip 192.168.150.101

sentinel monitor mymaster 192.168.150.101 7001 2

sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000

sentinel failover-timeout mymaster 60000

dir "/tmp/s1"

解读：

• port 27001：是当前sentinel实例的端口
• sentinel monitor mymaster 192.168.150.101 7001 2：指定主节点信息

mymaster：主节点名称，自定义，任意写

192.168.150.101 7001：主节点的ip和端口

2：选举master时的quorum值

然后将s1/sentinel.conf文件拷贝到s2、s3两个目录中（在/tmp目录执行下列命令）：

# 方式一：逐个拷贝

cp s1/sentinel.conf s2

cp s1/sentinel.conf s3

# 方式二：管道组合命令，一键拷贝

echo s2 s3 | xargs -t -n 1 cp s1/sentinel.conf

修改s2、s3两个文件夹内的配置文件，将端口分别修改为27002、27003：

sed -i -e 's/27001/27002/g' -e 's/s1/s2/g' s2/sentinel.conf

sed -i -e 's/27001/27003/g' -e 's/s1/s3/g' s3/sentinel.conf

3.3.启动 Redis集群

 为了方便查看日志，我们打开3个ssh窗口，分别启动3个redis实例，启动命令：

# 第1个

redis-sentinel s1/sentinel.conf

# 第2个

redis-sentinel s2/sentinel.conf

# 第3个

redis-sentinel s3/sentinel.conf

启动后：

 

3.4.测试

尝试让master节点7001宕机，查看sentinel日志：

 

查看7003的日志：

 

查看7002的日志：

 

3.3RedisTemplate的哨兵模式

RedisTemplate的哨兵模式

在Sentinel集群监管下的Redis主从集群，其节点会因为自动故障转移而发生变化，Redis的客户端必须感知这种变化，及时更新连接信息。Spring的RedisTemplate底层利用lettuce实现了节点的感知和自动切换。

首先，我们引入课前资料提供的Demo工程：

 

1.在pom文件中引入redis的starter依赖：

2.然后在配置文件application.yml中指定sentinel相关信息：

3.配置主从读写分离

这里的ReadFrom是配置Redis的读取策略，是一个枚举，包括下面选择：

• MASTER：从主节点读取
• MASTER_PREFERRED：优先从master节点读取，master不可用才读取replica
• REPLICA：从slave（replica）节点读取
• REPLICA _PREFERRED：优先从slave（replica）节点读取，所有的slave都不可用才读取master

四、Redis分片集群

4.1搭建分片集群

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
• 每个master都可以有多个slave节点
• master之间通过ping监测彼此健康状态
• 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

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：

 

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/tmp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 /tmp/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 /tmp/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 /tmp/6379/run.log

将这个文件拷贝到每个目录下：

# 进入/tmp目录

cd /tmp

# 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 /tmp

# 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 Redis

4.3.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 /tmp

# 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

4.4.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 /tmp/redis-6.2.4/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Redis6.2.4版本，集群管理以及集成到了redis-cli中，格式如下：

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

 

4.5.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：

4.2散列插槽

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1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，那么就根据num计算，如果是{itcast}num，则根据itcast计算。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。

 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

4.3集群伸缩

添加一个节点到集群

redis-cli --cluster提供了很多操作集群的命令，可以通过下面方式查看：

比如，添加节点的命令：

 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

练习：删除集群中的一个节点

需求：

• 删除7004这个实例

4.4故障转移

当集群中有一个master宕机会发生什么呢？

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：

 数据迁移

利用cluster failover命令可以手动让集群中的某个master宕机，切换到执行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：

手动的Failover支持三种不同模式：

• 缺省：默认的流程，如图1~6歩
• force：省略了对offset的一致性校验
• takeover：直接执行第5歩，忽略数据一致性、忽略master状态和其它master的意见

 案例：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

4.5RedisTemplate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：

 思考：

Redis的分片集群、Elasticsearch的分片集群有哪些共同的特征呢？