與親生的Redis Cluster，來一次靈魂交流

文章轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)：小姐姐的味道

筆者曾經(jīng)維護(hù)過千個(gè) redis 實(shí)例，這些實(shí)例采用的簡(jiǎn)單主從結(jié)構(gòu)，集群方案主要是客戶端jar包。剛開始，個(gè)人并不是太喜歡redis cluster，因?yàn)樗穆酚蓪?shí)在是太死板，運(yùn)維復(fù)雜。

但官方在推這個(gè)東西，注定了它的應(yīng)用越來越廣泛，這在平常的交流中就能夠發(fā)現(xiàn)。雖然有這樣那樣的缺點(diǎn)，但總抵擋不了權(quán)威推動(dòng)的浪潮。隨著redis cluster越來越穩(wěn)定，是時(shí)候和redis cluster來一次靈魂交流了。

簡(jiǎn)介

redis cluster是親生的集群方案，目前，在高可用和穩(wěn)定性方面，都有了很大的進(jìn)步。據(jù)統(tǒng)計(jì)和觀察，采用redis cluster架構(gòu)的公司和社區(qū)越來越多，已經(jīng)成為事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。它的主要特點(diǎn)就是去中心化，無需proxy代理。其中一個(gè)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是達(dá)到線性可擴(kuò)展性（linear scalability）。

僅僅靠redis cluster服務(wù)器本身，并不能完成官方承諾的功能。廣義上的redis cluster應(yīng)該既包含redis服務(wù)器，又包含客戶端實(shí)現(xiàn)比如jedis等。它們是一個(gè)整體。

分布式存儲(chǔ)無非就是處理分片和副本。 對(duì)redis cluster來說，核心概念就是槽（slot），了解了它，基本就了解了集群的管理方式。

優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)了解這些特性以后，運(yùn)維上其實(shí)是更簡(jiǎn)單了。我們先看下比較明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

1、不再需要額外的Sentinel集群，為使用者提供了一致的方案，減少了學(xué)習(xí)成本。 2、去中心架構(gòu)，節(jié)點(diǎn)對(duì)等，集群可支持上千個(gè)節(jié)點(diǎn)。 3、抽象出了slot概念，針對(duì)slot進(jìn)行運(yùn)維操作。 4、副本功能能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移，大部分情況下無需人工介入。

缺點(diǎn)

1、客戶端要緩存部分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)Cluster協(xié)議，相對(duì)復(fù)雜。 2、數(shù)據(jù)是通過異步復(fù)制的，不能保證數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性。 3、資源隔離困難，經(jīng)常流量不均衡，尤其是多個(gè)業(yè)務(wù)共用集群的時(shí)候。數(shù)據(jù)不知道在哪里，針對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，也無法通過專項(xiàng)優(yōu)化完成。 4、從庫是完全的冷備，無法分擔(dān)讀操作，真是太太浪費(fèi)了。需要做額外工作。 5、MultiOp和Pipeline支持有限，老代碼要是進(jìn)行架構(gòu)升級(jí)，要小心了。 6、數(shù)據(jù)遷移是基于key而不是基于slot的，過程較慢。

基本原理

從槽到key，定位過程明顯就是一個(gè)雙層的路由。

key的路由

redis cluster和常用的一致性hash沒什么關(guān)系，它主要采用了哈希槽的概念。當(dāng)需要在其中存取一個(gè)key時(shí)，redis客戶端會(huì)首先對(duì)這個(gè)key采用crc16算法算出一個(gè)值，然后對(duì)這個(gè)值進(jìn)行mod操作。

crc16(key)mod 16384

所以，每個(gè)key都會(huì)落在其中的一個(gè)hash槽上。16384 等同于 2^14（16k），redis節(jié)點(diǎn)發(fā)送心跳包時(shí)，需要把所有的槽信息放在這個(gè)心跳包里，所以要竭盡全力的優(yōu)化，感興趣的可以看下為什么默認(rèn)的槽數(shù)量是 16384 。

服務(wù)端簡(jiǎn)單原理

上面談到，redis cluster共定義了 16384 個(gè)槽，所有的集群操作都是圍繞著這個(gè)槽數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。服務(wù)端使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)組存儲(chǔ)這些信息。

對(duì)于判斷有無的操作，使用bitmap來存儲(chǔ)是最節(jié)省空間的。redis cluster就是使用一個(gè)叫做slot的數(shù)組來保存當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否持有了這個(gè)槽。

如圖，這個(gè)數(shù)組的長(zhǎng)度為 16384/8=2048 Byte，那么就可以使用 0 或者 1 來標(biāo)識(shí)本節(jié)點(diǎn)對(duì)某個(gè)槽是否擁有。

其實(shí)，只需要第一份數(shù)據(jù)ClusterState也能完成操作，保存另外一個(gè)維度的Slot數(shù)組，能夠方便編碼和存儲(chǔ)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)除了會(huì)將自己負(fù)責(zé)處理的槽記錄在兩個(gè)地方（clusterNode結(jié)構(gòu)的slots和numslots），它還會(huì)將自己的slots數(shù)組通過消息發(fā)送給集群中的其他節(jié)點(diǎn)，以此來告訴其他節(jié)點(diǎn)自己目前擁有的槽。

當(dāng)數(shù)據(jù)庫中的 16384 個(gè)槽都有節(jié)點(diǎn)在處理時(shí)，集群處于上線狀態(tài)（ok）；相反地，如果數(shù)據(jù)庫中有任何一個(gè)槽沒有得到處理，那么集群處于下線狀態(tài)（fail）。

當(dāng)客戶端向節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)命令時(shí)，接收命令的節(jié)點(diǎn)會(huì)計(jì)算出命令要處理的key屬于哪個(gè)槽，并檢查這個(gè)槽是否指派給了自己。如果不是自己的，會(huì)指引客戶端到正確的節(jié)點(diǎn)。

所以，客戶端連接集群中的任意一臺(tái)機(jī)器，都能夠完成操作。

安裝一個(gè)6節(jié)點(diǎn)集群

準(zhǔn)備工作

假如我們要組裝一個(gè)3分片的集群，每個(gè)分片有一個(gè)副本。那么總共需要的node實(shí)例就有 3*2=6 個(gè)。redis可以通過指定配置文件的方式啟動(dòng)，我們所做的工作就是修改配置文件。

復(fù)制6份默認(rèn)的配置文件。

for i in {0..5}
do
cp redis.conf  redis-700$i.conf
done

修改其中的配置文件內(nèi)容，拿redis-7000.conf來說，我們要啟用它的cluster模式。

cluster-enabled yes
port 7000
cluster-config-file nodes-7000.conf

nodes-7000.conf會(huì)保存一些集群信息到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，所以需要獨(dú)立。

啟動(dòng)&關(guān)閉

同樣的，我們使用腳本來啟動(dòng)它。

for i in {0..5}
do
nohup ./redis-server redis-700$i.conf &
done

為了演示，我們暴力把它關(guān)閉。

ps -ef| grep redis | awk '{print $2}' | xargs kill -9

組合集群

我們使用redis-cli進(jìn)行集群的組合。redis將自動(dòng)完成這個(gè)過程。這一系列的過程，是通過發(fā)送指令給每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合的。

./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

幾個(gè)高級(jí)原理

節(jié)點(diǎn)故障

集群中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)定期地向集群中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送ping消息，以此來檢測(cè)對(duì)方是否在線，如果接收ping消息的節(jié)點(diǎn)沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)返回pong消息，那么發(fā)送ping消息的節(jié)點(diǎn)就會(huì)將接收ping消息的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為疑似下線（PFAIL）。

如果在一個(gè)集群里面，半數(shù)以上節(jié)點(diǎn)都將某個(gè)主節(jié)點(diǎn) x 報(bào)告為疑似下線，那么這個(gè)主節(jié)點(diǎn)x將被標(biāo)記為已下線（FAIL），將x標(biāo)記為FAIL的節(jié)點(diǎn)會(huì)向集群廣播一條關(guān)于 x 的FAIL消息，所有收到這條FAIL消息的節(jié)點(diǎn)都會(huì)立即將 x 標(biāo)記為FAIL。

大家可以注意到這個(gè)過程，與 es 和 zk 的節(jié)點(diǎn)判斷類似，都是半數(shù)以上才進(jìn)行判斷，所以主節(jié)點(diǎn)的數(shù)量一般都是奇數(shù)。由于沒有最小組群配置，理論上會(huì)有腦裂（暫時(shí)并未遇到過）。

主從切換

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)入fail狀態(tài)，將會(huì)從這個(gè)節(jié)點(diǎn)的從節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，選出一臺(tái)，執(zhí)行slaveof no one命令，變身為主節(jié)點(diǎn)。

新的節(jié)點(diǎn)完成自己的槽指派以后，會(huì)向集群廣播一條pong消息，以便讓其他節(jié)點(diǎn)立即知道自己的這些變化。它告訴別人：我已經(jīng)是主節(jié)點(diǎn)了，我已經(jīng)接管了有問題的節(jié)點(diǎn)，成為了它的替身。

redis內(nèi)部對(duì)集群的這些管理，大量使用了已經(jīng)定義好的這些指令。所以這些指令不僅僅供我們從命令行使用，redis自己內(nèi)部也用。

數(shù)據(jù)同步

當(dāng)一臺(tái)從機(jī)連接到master之后，會(huì)發(fā)送一個(gè)sync指令。master在收到這個(gè)指令后，會(huì)在后臺(tái)啟動(dòng)存盤進(jìn)程。執(zhí)行完畢后，master將整個(gè)數(shù)據(jù)庫文件傳輸?shù)?code>slave，這樣就完成了第一次全量同步。

接下來，master會(huì)把自己收到的變更指令，依次傳送給slave，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的最終同步。從redis 2.8開始，就支持主從復(fù)制的斷點(diǎn)續(xù)傳，如果主從復(fù)制過程中，網(wǎng)絡(luò)連接斷掉了，那么可以接著上次復(fù)制的地方，繼續(xù)復(fù)制下去，而不是從頭開始復(fù)制一份。

數(shù)據(jù)丟失

redis cluster中節(jié)點(diǎn)之間使用異步復(fù)制，并沒有類似kafka這種ack的概念。節(jié)點(diǎn)之間通過gossip協(xié)議交換狀態(tài)信息，用投票機(jī)制完成Slave到Master的角色提升，完成這個(gè)過程注定了需要時(shí)間。在發(fā)生故障的過程中就容易存在窗口，導(dǎo)致丟失寫入的數(shù)據(jù)。比如以下兩種情況。

一、命令已經(jīng)到到master，此時(shí)數(shù)據(jù)并沒有同步到slave，master會(huì)對(duì)客戶端回復(fù)ok。如果這個(gè)時(shí)候主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，那么這條數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。redis這樣做會(huì)避免很多問題，但對(duì)一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求較高的系統(tǒng)，是不可忍受的。

二、由于路由表是在客戶端存放的，存在一個(gè)時(shí)效問題。如果分區(qū)導(dǎo)致一個(gè)節(jié)點(diǎn)不可達(dá)，提升了某個(gè)從節(jié)點(diǎn)，但原來的主節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)候又可以用了（并未完成failover）。這個(gè)時(shí)候一旦客戶端的路由表并沒有更新，那么它將會(huì)把數(shù)據(jù)寫到錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)，造成數(shù)據(jù)丟失。

所以redis cluster在通常情況下運(yùn)行的很好，在極端情況下某些值丟失問題，目前無解。

復(fù)雜的運(yùn)維

redis cluster的運(yùn)維非常的繁雜，雖然已經(jīng)進(jìn)行了抽象，但這個(gè)過程依然不簡(jiǎn)單。有些指令，必須在詳細(xì)了解它的實(shí)現(xiàn)原理之后，才能真正放心的去用。

上圖就是擴(kuò)容會(huì)用到的一些命令。在實(shí)際使用的過程中，可能需要多次頻繁地輸入這些命令，且輸入的過程中還要監(jiān)視它的狀態(tài)，所以基本上是不可能人工跑這些命令的。

運(yùn)維的入口有兩個(gè)。一個(gè)是使用redis-cli連接任意一臺(tái)，然后發(fā)送cluster打頭的命令，這部分命令大多數(shù)是對(duì)槽進(jìn)行操作。 在開始組合集群時(shí)，就是反復(fù)調(diào)用這些命令進(jìn)行的具體邏輯執(zhí)行。

另外一個(gè)入口是使用redis-cli命令，加上--cluster參數(shù)和指令。這種形式主要是用來管控集群節(jié)點(diǎn)信息 ，比如增刪節(jié)點(diǎn)等。所以推薦使用這種方式。

redis cluster提供了非常復(fù)雜的命令，難于操作和記憶。推薦使用類似CacheCloud的工具進(jìn)行管理。

下面是幾個(gè)例子。

通過向節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送 CLUSTER MEET 命令，客戶端可以讓接收命令的節(jié)點(diǎn) A 將另一個(gè)節(jié)點(diǎn) B 添加到節(jié)點(diǎn) A 當(dāng)前所在的集群里面：

CLUSTER MEET  127.0.0.1 7006

通過cluster addslots命令，可以將一個(gè)或者多個(gè)槽指派給某個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)。

127.0.0.1:7000> CLUSTER ADDSLOTS 0 1 2 3 4 . . . 5000

設(shè)置從節(jié)點(diǎn)。

CLUSTER REPLICATE <node_id>

redis-cli —cluster

redis-trib.rb是官方提供的Redis Cluster的管理工具，但最新版本已經(jīng)推薦使用redis-cli進(jìn)行操作。

向集群中添加新節(jié)點(diǎn)

redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:7006 127.0.0.1:7007 --cluster-replicas 1

從集群中刪除節(jié)點(diǎn)

redis-cli --cluster del-node 127.0.0.1:7006 54abb85ea9874af495057b6f95e0af5776b35a52

遷移槽到新的節(jié)點(diǎn)

redis-cli --cluster reshard 127.0.0.1:7006 --cluster-from 54abb85ea9874af495057b6f95e0af5776b35a52 --cluster-to 895e1d1f589dfdac34f8bdf149360fe9ca8a24eb  --cluster-slots 108

類似的命令還有很多。

create：創(chuàng)建集群 check：檢查集群 info：查看集群信息 fix：修復(fù)集群 reshard：在線遷移slot rebalance：平衡集群節(jié)點(diǎn)slot數(shù)量 add-node：添加新節(jié)點(diǎn) del-node：刪除節(jié)點(diǎn) set-timeout：設(shè)置節(jié)點(diǎn)的超時(shí)時(shí)間 call：在集群所有節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行命令 import：將外部redis數(shù)據(jù)導(dǎo)入集群

其他方案概覽

主從模式

redis最早支持的，就是M-S模式，也就是一主多從。redis單機(jī)qps可達(dá)到 10w+，但是在某些高訪問量場(chǎng)景下，依然不太夠用。一般通過讀寫分離來增加slave，減少主機(jī)的壓力。

既然是主從架構(gòu)，就面臨著同步問題，redis主從模式的同步分為全同步和部分同步。當(dāng)剛創(chuàng)建一個(gè)從機(jī)的時(shí)候，不可避免的要進(jìn)行一次全量同步。等全量同步結(jié)束之后，進(jìn)入增量同步階段。這個(gè)和redis cluster是沒什么區(qū)別的。

這種模式還是比較穩(wěn)定的，但要額外做一些工作。用戶需要自行開發(fā)主從切換的功能，也就是使用哨兵去探測(cè)每個(gè)實(shí)例的健康狀況，然后通過指令進(jìn)行集群狀態(tài)的改變。

當(dāng)集群規(guī)模增大，主從模式會(huì)很快遇到瓶頸。所以一般會(huì)采用客戶端hash的方法進(jìn)行擴(kuò)展，包括類似于memcached的一致性哈希。

客戶端hash的路由可能會(huì)很復(fù)雜，通常會(huì)通過發(fā)布jar包或者配置的方式維護(hù)這些meta信息，這也給線上環(huán)境增加了很多不確定性。

不過，通過加入類似ZK主動(dòng)通知的功能，將配置維護(hù)在云端，可以顯著降低風(fēng)險(xiǎn)。筆者曾經(jīng)維護(hù)過的幾千個(gè)redis節(jié)點(diǎn)，就是用這種方式進(jìn)行管理的。

代理模式

代碼模式在redis cluster出現(xiàn)之前，非常流行，比如codis。代理層通過把自己模擬成一個(gè)redis，接收來自客戶端的請(qǐng)求，然后按照自定義的路由邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)分片以及遷移，而業(yè)務(wù)方不需要改動(dòng)任何代碼。除了能夠平滑的進(jìn)行擴(kuò)容，一些主從切換、FailOver的功能也在代理層完成，客戶端甚至可以沒有任何感知。這類程序又稱為分布式中間件。

一個(gè)典型的實(shí)現(xiàn)如下圖，背后的redis集群甚至可以是混合的。

但這種方式的缺點(diǎn)也是顯而易見的。首先，它引入了一個(gè)新的代理層，在結(jié)構(gòu)上、運(yùn)維上都顯復(fù)雜。需要進(jìn)行大量的編碼，比如failover、讀寫分離、數(shù)據(jù)遷移等。另外，proxy層的加入，對(duì)性能也有相應(yīng)的損耗。

多個(gè)proxy一般使用lvs等前置進(jìn)行負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)，如果proxy層的機(jī)器很少而后端redis的流量很高，那么網(wǎng)卡會(huì)成為主要的瓶頸。

Nginx也可以作為redis的代理層，比較專業(yè)的說法叫做Smart Proxy。這種方式較為偏門，如果你對(duì)nginx比較熟悉，不失為一種優(yōu)雅的做法。

使用限制和坑

redis的速度特別的快。一般越快的東西，出問題的時(shí)候造成的后果越大。

不久之前，寫過一篇針對(duì)于redis的規(guī)范：《Redis規(guī)范，這可能是最中肯的了》。規(guī)范和架構(gòu)一樣，適合自己公司環(huán)境的，才是最好的，但會(huì)提供一些起碼的思路。

嚴(yán)格禁止的東西，一般都是前人踩坑的地方。除了這篇規(guī)范的內(nèi)容，對(duì)于redis-cluster，補(bǔ)充以下幾點(diǎn)。

1、redis cluster號(hào)稱能夠支持1k個(gè)節(jié)點(diǎn)，但你最好不要這么做。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到10，就能夠感受到集群的一些抖動(dòng)。這么大的集群證明你的業(yè)務(wù)已經(jīng)很牛x了，考慮一下客戶端分片吧。

2、一定要避免產(chǎn)生熱點(diǎn)，如果流量全部打到了某個(gè)節(jié)點(diǎn)，后果一般很嚴(yán)重。

3、大key不要放redis，它會(huì)產(chǎn)生大量的慢查詢，影響正常的查詢。

4、如果你不是作為存儲(chǔ)，緩存一定要設(shè)置過期時(shí)間。占著茅坑不拉屎的感覺是非常討厭的。

5、大流量，不要開aof，開rdb即可。

6、redis cluster的操作，少用pipeline，少用multi-key，它們會(huì)產(chǎn)生大量不可預(yù)料的結(jié)果。

以上是一些補(bǔ)充，更全還是參考規(guī)范吧 《Redis規(guī)范，這可能是最中肯的了》。。。

End

redis 的代碼才那么一丁點(diǎn)，肯定不會(huì)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的分布式供能。 redis 的定位就是性能、水平伸縮和可用性，對(duì)于簡(jiǎn)單的、一般流量的應(yīng)用，已經(jīng)足夠了。生產(chǎn)環(huán)境無小事，對(duì)于復(fù)雜的高并發(fā)應(yīng)用，注定了是一個(gè)組合的優(yōu)化方案。

以上就是W3Cschool編程獅關(guān)于與親生的Redis Cluster，來一次靈魂交流的相關(guān)介紹了，希望對(duì)大家有所幫助。