Redis7——基础篇（七）

 前言：此篇文章系本人学习过程中记录下来的笔记，里面难免会有不少欠缺的地方，诚心期待大家多多给予指教。

基础篇：

1. Redis（一）
2. Redis（二）
3. Redis（三）
4. Redis（四）
5. Redis（五）
6. Redis（六）

接上期内容：上期完成了Redis哨兵模式的学习。下面开始学习Redis集群(非常重点)，话不多说，直接发车。

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一、集群定义

（一）、什么是集群

集群是由多个相互关联的节点构成的系统架构，各节点之间通过协作机制协同运作，对外界呈现出统一的整体形态。在Redis集群体系中，每个节点均承担着部分数据的存储职责，并共同为客户端提供服务，以此达成数据的分布式存储与处理功能。

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（二）、redis集群出现的背景

随着互联网应用的快速发展，数据量呈爆发式增长，单机的Redis在存储容量、读写性能和高可用性等方面逐渐难以满足需求。为了应对这些挑战，Redis 集群应运而生，它通过将数据分布在多个节点上，实现了水平扩展，大大提升了数据处理能力。

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二、集群功能

• 数据分片：将数据分散存储在多个节点上，突破单机存储容量限制。
• 高可用性：通过节点间的复制和自动故障转移机制，确保集群在部分节点故障时仍然能正常工作。
• 读写分离：从节点可以分担读请求，提供系统的读性能。
• 水平扩展：可以方便地添加或删除节点，实现集群的动态伸缩。

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三、集群算法

（一）、Redis集群分区是什么？

Redis集群分区是一种将数据分散存储到多个Redis节点的技术，目的是实现数据的分布式存储和处理，从而提升系统的可扩展性、性能和可用性。通过分区，Redis集群可以处理比单个 Redis 实例更大的数据集，并且可以并行处理更多的客户端请求。

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（二）、Redis集群槽位是什么？

Redis集群槽位（Slot）是Redis集群中用于管理数据分布的一种逻辑概念。Redis集群共有16384 个槽位（编号从 0 到 16383），每个键在存储时会通过特定的哈希算法（CRC16）计算出对应的槽位编号，然后根据槽位的分配情况，将键值对存储到相应的节点上。

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（三）、Redis集群分区-槽位映射方案

1、哈希取余分区

1.1、定义

根据数据的键值进行哈希计算，然后对节点数量取余数，根据余数将数据分配到相应的节点。这里所说的 “分区”，就是把数据按照这种哈希取余的规则，分散到不同的节点上存储，实现数据的分布式存储，每个节点就相当于一个数据分区。 

假设有3台机器构成一个集群，用户每次读写操作都是根据公式：Hash(key) % N台机器数，计算出哈希值，用来决定数据映射到那个节点上。

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1.2、优劣势

优势：算法简单，易于实现，在节点数量固定时能较好地实现数据分布。使用Hash算法让固定的一部分请求落到同一台服务器上，这样每台服务器固定处理一部分请求（并维护这些请求的信息），起到负载均衡+分而治之的作用。

劣势：当节点数量发生变化（如增加或减少节点）时，大量数据需要重新计算哈希值并进行迁移，会导致数据的重新分布，影响系统性能。

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1.3、小总结

哈希取余分区适用于节点数量相对稳定的场景，在节点动态变化频繁的场景下表现不佳。

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2、一致性哈希算法分区

2.1、定义

将哈希值空间组织成一个虚拟的圆环，节点和数据都映射到这个圆环上。根据数据的哈希值，在圆环上顺时针查找，找到的第一个节点就是该数据的存储节点。在这个算法里，分区就是数据在虚拟圆环上对应到不同节点的存储区域，不同的节点负责存储圆环上特定区间的数据 ，从而实现数据分区。

实现一致性哈希算法分区三大步骤：

1、构建一致哈希环

一致性哈希算法必然有个hash函数并按照算法产生hash值，这个算法的所有可能哈希值会构成一个全量集，这个集合可以成为一个hash空间[0,2^32-1]，这个是一个线性空间，但是在算法中，我们通过适当的逻辑控制将它首尾相连(0 = 2^32),这样让它逻辑上形成了一个环形空间。

它也是按照使用取模的方法，而一致性Hash算法是对2^32取模，简单来说，一致性Hash算法将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环，如假设某哈希函数H的值空间为0-2^32-1（即哈希值是一个32位无符号整形），整个哈希环如下图：整个空间按顺时针方向组织，圆环的正上方的点代表0，0点右侧的第一个点代表1，以此类推，2、3、4、……直到2^32-1，也就是说0点左侧的第一个点代表2^32-1， 0和2^32-1在零点中方向重合，我们把这个由2^32个点组成的圆环称为Hash环。

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2、Redis节点IP映射

将各个服务器使用Hash进行一个哈希，具体可以选择服务器的IP或主机名作为关键字进行哈希，这样每台机器就能确定其在哈希环上的位置。假如4个节点NodeA、B、C、D，经过IP地址的哈希函数计算(hash(ip))，使用IP地址哈希后在环空间的位置如下：

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3、key落键规则

当我们需要存储一个kv键值对时，首先计算key的hash值，hash(key)，将这个key使用相同的函数Hash计算出哈希值并确定此数据在环上的位置，从此位置沿环顺时针“行走”，第一台遇到的服务器就是其应该定位到的服务器，并将该键值对存储在该节点上。

如我们有Object A、Object B、Object C、Object D四个数据对象，经过哈希计算后，在环空间上的位置如下：根据一致性Hash算法，数据A会被定为到Node A上，B被定为到Node B上，C被定为到Node C上，D被定为到Node D上。

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2.2、优劣势

优势：①、容错性更高。假设Node C宕机，可以看到此时对象A、B、D不会受到影响。一般的，在一致性Hash算法中，如果一台服务器不可用，则受影响的数据仅仅是此服务器到其环空间中前一台服务器（即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器）之间数据，其它不会受到影响。简单说，就是C挂了，受到影响的只是B、C之间的数据且这些数据会转移到D进行存储。

②、扩展性更好。假设需要增加一台节点NodeX，X的位置在D和C之间，那收到影响的也就是C到X之间的数据，重新把C到D的数据录入到X上即可，不会导致hash取余全部数据重新洗牌。

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劣势：会产生数据倾斜问题。一致性Hash算法在服务节点太少时，容易因为节点分布不均匀而造成数据倾斜（被缓存的对象大部分集中缓存在某一台服务器上）问题，例如系统中只有两台服务器：

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2.3、小总结

一致性哈希算法虽然在节点动态变化场景下有优势，但在节点数量较少时会造成数据倾斜问题。

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3、哈希槽分区

3.1、定义

Redis群将整个键值对空间划分为16384个哈希槽，每个节点负责一部分哈希槽。根据数据的键计算出哈希值，再映射到相应的哈希槽，从而确定数据存储在哪个节点。这里的 “分区” 是基于哈希槽实现的，每个哈希槽就是一个数据分区的最小单位 ，不同节点通过管理不同的哈希槽，实现对数据的分区存储。而 “槽位” 就是指这16384个哈希槽中的每一个，每个槽位都有唯一编号，用于标识和管理数据存储位置。

它的出现就是为了解决一致性哈希算法分区数据倾斜问题。解决均匀分配的问题，在数据和节点之间又加入了一层，把这层称为哈希槽（slot），用于管理数据和节点之间的关系，现在就相当于节点上放的是槽，槽里放的是数据。

槽解决的是粒度问题，相当于把粒度变大了，这样便于数据移动。哈希解决的是映射问题，使用key的哈希值来计算所在的槽，便于数据分配。

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3.2、优劣势

优势：数据分布均匀，节点的增加和删除操作相对简单，通过哈希槽的迁移来实现数据的重新分布，对系统性能影响较小。

劣势：实现相对复杂，需要额外的机制来管理哈希槽和节点的映射关系。

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3.3、小总结

哈希槽分区是Redis集群采用的主要分区方式，兼顾了数据分布的均匀性和集群的可扩展性。

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（四）、经典面试题

Q：Redis 集群有16384个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16384取模来决定放置哪个槽，集群的每个节点负责一部分hash槽。但为什么哈希槽的数量是16384（2^14）个呢？CRC16算法产生的hash值有16bit，该算法可以产生2^16=65536个值，为啥用16384而不用65536呢？

A：Redis之父的原话，why redis-cluster use 16384 slots? · Issue #2576 · redis/redis · GitHub

总结下来有三点：

①、心跳包太大了，浪费带宽。

在消息头中最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。 当槽位为65536时，这块的大小是: 65536÷8÷1024=8kb。

在消息头中最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。 当槽位为16384时，这块的大小是: 16384÷8÷1024=2kb。

因为每秒钟，redis节点需要发送一定数量的ping消息作为心跳包，如果槽位为65536，这个ping消息的消息头太大了，浪费带宽。

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②、redis集群的主节点不可能超过1000个。

集群节点越多，心跳包的消息体内携带的数据越多。如果节点过1000个，也会导致网络拥堵。因此redis作者不建议redis cluster节点数量超过1000个。 那么，对于节点数在1000以内的redis cluster集群，16384个槽位够用了。没有必要拓展到65536个。

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③、槽位越小，节点越少，压缩比例越高，越容易传输。

Redis主节点的配置信息中它所负责的哈希槽是通过一张bitmap的形式来保存的，在传输过程中会对bitmap进行压缩，但是如果bitmap的填充率slots / N很高的话(N表示节点数)，bitmap的压缩率就很低。 如果节点数很少，而哈希槽数量很多的话，bitmap的压缩率也会很低。

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四、集群实操

（一）、3主3从集群实操

1、3主3从集群搭建

1.1、前提说明

由于硬件关系，电脑同时启动6台虚拟机吃不消，所以，还是三台虚拟机，一台虚拟机上启动两个redis服务，效果一样滴。

①、架构图

192.168.112.129  ======》6379、6380在同一台机器上

192.168.112.129  ======》6381、6382在同一台机器上

192.168.112.129  ======》6383、6384在同一台机器上

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②、前提准备

为了简洁明了，提前按照架构图创建好需要的文件和文件夹。

创建文件夹：

创建文件：

创建日志目录：

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1.2、修改配置

bind 0.0.0.0
daemonize yes
protected-mode no
port 改为对应端口
logfile "/myredis/cluster/clusterLogs/cluster对应端口.log"
pidfile /myredis/cluster对应端口.pid
dir /myredis/cluster
dbfilename dump对应端口.rdb
aof-use-rdb-preamble yes
appendonly yes
appendfilename "appendonly对应端口.aof"
requirepass 登录密码
masterauth 登录密码# 开启 Redis 集群模式
cluster-enabled yes
# 指定集群配置文件
cluster-config-file nodes-6381.conf
# 设置节点超时时间为 5 秒
cluster-node-timeout 5000

以6379为例，其他照着改就行了：

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1.3、构建关系

①、启动实例

redis-server /myredis/cluster/clusterConfig/redisClusterxxx.conf

分别启动6379、6380、81、82、83、84：

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②、构建集群

redis-cli -a 密码 --cluster create --cluster-replicas 1 
xxx.xxx.xxx:6379 xxx.xxx.xxx:6380 
xxx.xxx.xxx:6381 xxx.xxx.xxx:6382 
xxx.xxx.xxx:6383 xxx.xxx.xxx:6384

 参数说明：

• --cluster create：表明要创建一个新的Redis 集群。
• --cluster-replicas：用于指定每个主节点对应的从节点数量。
• 1：表示为每个主节点分配 1 个从节点。

三台虚拟机都记得临时关闭防火墙

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③、查看集群并检验集群状态

以6379作为切入点，查看集群：

常用命令：

info replication 查看自己节点信息

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cluster info 查看集群信息

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cluster nodes 查看集群节点关系

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1.4、测试集群读写

①、随便设置key

Q：为啥设置k、k4报错，设置k2、k3正常？

A：不同的键名经过哈希计算后会被映射到不同的哈希槽中，而 Redis 集群里每个主节点（Master）负责一部分哈希槽。所以，当客户端连接到某个节点并尝试设置键时，如果该节点并非负责这个键对应的哈希槽，就可能会设置失败，这就导致了部分键设置成功，部分键设置失败的情况。对于redis-cli命令行工具，你可以在连接时添加-c参数开启集群模式，这样客户端会自动处理重定向，将命令转发到负责该键的正确节点上。

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②、测试其他实例

其他实例也能获取成功，说明集群搭建成功，完美收官👍。

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2、集群中主从故障迁移实操

如果在Redis集群中，某台Master宕机，从机是否会上位？先记住目前的节点信息：

2.1、模拟集群中的某台Master宕机

手动关闭6379：

在6381上查看集群节点信息：

slave会上位变成新的Master。

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2.2、恢复架构

①、Q&A

Q1：假设当6379故障恢复后，它会以什么身份回归呢？

A1：以slave身份回归。

启动6379，恢复前：

恢复后：

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Q2、虽然6379回归了，服务也正常，但是架构图跟以前不一样了啊？

A2：可以使用CLUSTER FAILOVER命令还原节点从属关系。

江山是没有那么容易易主滴。

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2.3、小总结

通过上述实操，得出以下结论：

①、在Redis集群中，如果Master宕机，那么它对应的slave会迅速上位，也就是说在Redis集群中默认集成了哨兵模式。

②、Redis集群为CP模式，因此集群不保证数据一致性100%，一定会有数据丢失情况，官网也有说明。

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（二）、集群扩容/容缩实操

1、集群扩容

1.1、需求说明

由于业务量的剧增，原本的3主3从的redis集群已经不足以支持现有的业务需求，决定新增redis服务来保证业务高可用。

架构图：

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1.2、扩容实操

①、新启实例

由于硬件问题，所以将6385、6386放在6383那台服务器上。

此时6385、86都是Master。

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②、加入集群

将6385做为集群中的新Maste加入到集群中。

redis-cli -a 密码 --cluster add-node 
xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx xx2.xx2.xx2:xxx2

 参数说明：

• add-node：表明要向 Redis 集群中添加一个新节点。
• xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx：代表新加入的节点IP和端口号。
• xx2.xx2.xx2.xx2:xxx2：代表集群任意已经存在的IP和端口号

以6379为切入点：

6385加入集群成功。

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③、第一次检查集群

redis-cli -a 密码 --cluster check xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx

new Master6385确实成功加入集群，但是未分配槽号。

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④、为new Master分配槽号

redis-cli -a 密码 --cluster reshard xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx

当在redis-cli执行次命令后，redis-cli会提示你输入以下信息：

• 要迁移的哈希槽数量：输入想要从源节点迁移到目标节点的哈希槽数量。例如，如果想迁移 100 个哈希槽，就输入100。
• 目标节点 ID：指定接收迁移哈希槽的目标节点的 ID(new Master ID)。
• 源节点信息：指定要从哪些节点迁移哈希槽。可以选择具体的节点 ID，也可以输入all表示从所有节点均匀地迁移哈希槽。

待定槽位分配完毕。

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⑤、第二次检查集群

槽位分配完成。

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⑥、为new Master分配slave

redis-cli -a 密码 --cluster add-node 
xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx xx2.xx2.xx2.xx2:xxx2 
--cluster-slave --cluster-master-id id

 参数说明：

• --cluster add-node：向 Redis 集群中添加一个新节点。
• xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx：新节点的地址。
• xx2.xx2.xx2.xx2:xxx2：集群中已存在节点的地址。
• --cluster-slave：指定新添加的节点作为从节点（slave）加入集群
• --cluster-master-id：指定新从节点要复制的主节点的 ID

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⑦、第三次检查集群

自此redis集群由以前的3主3从变成了现在的4主4从，完美收官👍。

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2、集群容缩

2.1、需求说明

本项目运行稳定，业务需求量增速放慢，经过评估，以前的3主3从足以支撑现有的业务需求，打算撤掉部分资源去支持其他项目。

架构图：

不一定非得撤去6385、86，也可以撤掉其他的。

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2.2、缩容实操

①、第一次查看集群

确定要删除的主节点和从节点信息。

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②、删除从节点

redis-cli -a 密码 --cluster del-node xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx id

从节点删除成功。

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③、还原槽位

将6385的槽位全部清空，交给6379。

后续还有一个输入项选择，输入yes即可，等待槽位清空完成。

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④、第二次查看集群

6385已经由Master变成了6379的slave。（最开始6385就是由6379引荐入集群的）

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⑤、删除主节点

redis-cli -a 密码 --cluster del-node xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx id

 删除6385：

6385删除成功。

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⑥、第三次查看集群

自此，以前的4主4从变为了3主3从，redis集群的容缩完美收官👍。

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五、集群常用操作命令

（一）、通配符

Q：如何解决在同一个slot槽位下的键值无法使用mset、mget等多键操作。

A：可以通过{}来定义同一个组的概念，使key中{}内相同内容的键值对放到一个slot槽位去，对照下图类似k1k2k3都映射为x(也可以是其他字符)，自然槽位一样。

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（二）、查看槽位状态

CLUSTER COUNTKEYSINSLOT 0-16383

 返回存的个数，0代表没存，其他则代表存了几个key

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（三）、判断key应该存在那个槽上

CLUSTER KEYSLOT key

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六、浅谈CRC16 

Q：Redis集群有16384个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16384取模来决定放置哪个槽，从文章在开头说到文末，但是一直没说CRC16是个什么东西？

A：不是我不说，而是我能力不足，java都还没搞明白，怎么敢去搞C的东西啊。。下图为CRC16的部分源码，有兴趣自己去研究吧。（网上cp的(●'◡'●)）

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七、总结 

Redis集群通过巧妙的集群算法和高效的管理机制，实现了数据的分布式存储和处理，为大规模数据处理和高并发访问提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据业务需求和场景选择合适的集群算法和配置参数，充分发挥 Redis 集群的优势。同时，掌握集群的搭建、操作和维护技能，能够确保集群的稳定运行和高效工作。

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ps：努力到底，让持续学习成为贯穿一生的坚守。学习笔记持续更新中。。。。