Redis学习【11】之分布式系统

• Redis 分布式系统【Redis Cluster Redis 集群】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。

一 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。
  

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。
• 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

1.1.1 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。
• 优点：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
• 缺点：生产者与数据节点间的连接要长时间保持

1.1.2 时间片轮转分区算法

• 在某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。
• 优点：生产者与节点间的连接只需占用当前正在使用的，其它连接使用完毕后就立即释放。
• 缺点：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）。

1.1.3 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

1.1.4 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

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。

1.2.1 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，但缺点是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方式，以减少扩容时数据迁移的比例。

1.2.2 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 $2^{3}2-1$，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$[0,2^{3}2-1]$。
  
  

• 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 $m_0、m_1、m_2$的主机结点，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。

  • 如下图：在原来的基础上添加$m_3$的主机结点，对$o_3$的数据进行迁移
    

• 当节点数量较少时，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。
  

1.2.3 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。Redis 分布式系统中共虚拟了 $16384$ 个 slot 槽，其范围为$[0,16383]$。
• 例如，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：$slot=hash(key)\%slotNums$。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：KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '&' at position 19: …t = CRC16(key) &̲16383。若要计算 $a\%b$，如果 b 是 2 的整数次幂，那么 KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '&' at position 12: a \% b = a &̲ (b-1)。

二 分布式系统环境搭建与运行

2.1 系统搭建

• 这部分的内容，作者主要讲解操作和原理，所以对代码及操作的的实际操作结果展示内容会减少，但主要的步骤还是会保留下来！

2.1.1 系统架构

• 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，master 与 slave 的配对关系，在系统搭建成功后会自动分配。
  

2.1.2 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。

# 在目录redis下操作
rm -rf dump638*.rdb appendonlydir

2.1.3 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。

# 在目录redis下操作
mkdir cluster-dis

2.1.4 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

# 在cluster-dis的操作命令
cp ../cluster/redisconf ./
cp ../cluster/redis6380.conf ./

2.1.5 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：

1. 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。
2. cluster-enabled
   
   • 该属性用于开启 Redis 的集群模式
3. 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。
4. 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

2.1.6 修改 redis6380.conf

include redis.conf
pidfile /var/run/redis_6380.pid
port 6380
dbfilename dump6380.rdb
appendfilename appendonly6380.aof
replica-priority 90
cluster-config-file nodes-6380.conf

2.1.7 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

2.1.8 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。

2.2 系统启动与关闭

2.2.1 启动节点

• 第一种方式：手动启动
  • 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
  

• 第二种：编写脚本文件启动【该方法在伪集群中使用方便，真实生产环境不适用】
  1. 在cluster-dis中，创建文件start-redis-cluster.sh

  vim start-redis-cluster.sh
  

    2. 编写内容如下
  

  #!/bin/bash
  rm -rf dump638*.rdb
  rm -rf appendonlydir
  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
  

  3. 修改文件的权限

  chmod 755 start-redis-cluster.sh
  

  4. 运行文件

  ./start-redis-cluster.sh
  

2.2.2 创建分布式系统

• 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。
  
• 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。
  
• 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
  

2.2.3 测试系统

• 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。能看到每个节点给出 connected，就说明分布式系统已经成功搭建。

redis-cli -c -p 6380 cluster nodes

• 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。

2.2.4 关闭系统

• 对于分布式系统的关闭，只需将各个节点 shutdown 即可
• 方法一：手动关闭

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

• 方法二：配置文件关闭
  1. 创建执行文件shutdown-redis-cluster.sh
  2. 编写一下内容

  #!/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
  # 查看关闭的效果指令
  ps aux|grep redis
  

  3. 修改文件权限

  chmode 755 shutdown-redis-cluster.sh
  

三 集群操作

3.1 连接集群

• 与之前单机连接相比的唯一区别就是增加了参数-c。

  redis-cli -c -p 6380
  

3.2 写入数据

3.2.1 key 单个写入&批量操作

• 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。
• 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。系统提供了一种对批量 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。
  • 如：

  mset name{emp} ming game{emp} kissking 
  

3.3 集群查询

3.3.1 查询 key 的 slot

• 通过 cluster keyslot 可以查询指定 key 的slot

  cluster keyslot xxx
  

3.3.2 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 xxx

3.3.3 查询 slot 中的 key

• 通过 cluster getkeysinslot 命令可以查看到指定 slot 所包含的 key

cluster getkeysinslot xxx num

3.4 故障转移

3.4.1 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。

3.4.2 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。

四 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：需要指定GROUP不能跨槽存放
  • 分区仅限于 key：即使VALUE是集合，也不能存放到不同的机器上。
  • 事务支持有限：在一个主机上有作用，槽点分到不同主机上不起作用。
  • 不支持分级管理：不支持分极管理，只有 master和 slave