Redis 分片集群的实现

1 搭建分片集群

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，单个Redis节点对于数据的存储量是有上限的
• 高并发写的问题，高并发读的问题我们可以用主从集群来解决，那高并发写的问题又该怎样解决呢

针对上述问题，我们可以搭建Redis的分片集群，如图所示：

Redis的分片集群具有以下特征：

• 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（可以取代哨兵机制）
• 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

接下来我们可以动手来搭建一个Redis分片集群

1.1 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：

1.2 准备实例和配置

这里我的redis安装目录为/usr/local/redis-6.2.6，以下操作将以此目录进行参考，额外需要注意的是，以下操作都是在redis没有设置密码的情况下进行的，如果你的redis设置了密码，那么按照以下步骤进行就会出问题。

1）创建出7001、7002、7003、8001、8002、8003目录

# 进入/local目录
cd /usr/local
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003 8001 8002 8003

2）在/usr/local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 /usr/local/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 /usr/local/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 192.168.211.100
# 保护模式
protected-mode no
# 数据库数量
databases 1
# 日志
logfile /usr/local/6379/run.log

3）将这个文件拷贝到每个目录下：

# 进入/local目录
cd /usr/local
# 执行拷贝
echo 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -t -n 1 cp redis.conf

4）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/local目录
cd /usr/local
# 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

1.3 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/usr/local目录
cd /usr/local
# 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{<!--{cke_protected}{C}%3C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->} -t redis-cli -p {<!--{cke_protected}{C}%3C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->} shutdown

1.4 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。我们需要执行以下命令来创建集群，注意，以下命令需要你的redis版本在5.0之后：

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.211.100:7001 192.168.211.100:7002 192.168.211.100:7003 192.168.211.100:8001 192.168.211.100:8002 192.168.211.100:8003

命令说明：

• redis-cli --cluster：代表集群操作命令
• create：代表创建集群
• --cluster-replicas 1 ：指定集群中每个master的副本个数为1，也就是说一个master只有一个slave，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，在创建集群时这些slave会被随机分配给不同master

执行上述命令之后，控制台会列出当前主从节点分配的结果，即将那些slave分别分配给哪些master，并询问你是否同意，这里我们输入'yes'即可

确定之后，集群开始创建

通过命令可以查看集群状态：

redis-cli -p 7001 cluster nodes

1.5 测试

集群操作时，需要在redis-cli连接时带上-c参数才可以

redis-cli -p 7001

通过观察上述从节点的状态，我们发现7001的slave是8001，我们可以尝试在7001里插入一个数字，再从8001里获取

事实上，我们不仅可以从8001里获取到num，也可以从其他slave甚至其他master里获取到num：

而且我们发现，当我们试图从其他节点获取num时，最后都会跳转到7001，为什么会这样呢？这就涉及到我们即将讲解的插槽原理

2 散列插槽

一个Redis分片集群有0~16383共16384个插槽（hash slot），这些插槽会被平均分给每一个master节点，一个master节点映射着一部分插槽，这一点在集群创建时的信息中可以看到

在分片集群中，数据key并不是与某个节点绑定，而是与插槽绑定。数据key与插槽是多对一的关系，redis会根据key的有效部分计算插槽值，然后将key放入对应插槽，key的有效部分分两种情况：

• 当key中包含"{}“时，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

举个例子，假如key是num，那么插槽值就会根据num来计算，如果key是{itheima}num，那么插槽值就会根据itheima来计算。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。

如果当前操作的key所在的插槽不属于本节点，则会发生重定向，重定向的目标是该插槽所属的节点，这个节点一定是master，如果我们连接的节点为slave，则会直接进行重定向，因为slave是没有插槽的。

针对上述几点，演示如下：

如上图所示，我们连接了7001，并试图插入数据k1，这时redis需要去判断k1所属的插槽位置，由于key中不包含’{}'，因此整个key都是有效部分，redis会对k1做hash运算然后对16384取余，得到的结果是12706，这也就是k1所在的插槽的位置，在当前集群中，映射该插槽的节点是7003，此时就会发生重定向，我们也可以观察到当我们执行完set k1 1命令之后，操作的端口已经变成了7003。此时我们继续在7003端口中进行操作，比如修改数据num的值，而num所在的插槽是2765，在当前集群中，映射该插槽的节点是7001，因此当我们执行完set num 2命令之后，操作的端口又重新变成了7001

那么接下来让我们思考两个问题：

为什么数据key要与插槽绑定，而不是与节点绑定呢？

这是因为Redis的主节点有可能会出现宕机情况，也有可能由于集群伸缩而被删除，当节点删除或者发生宕机时，节点上保存的数据也就丢失了，但如果数据绑定的是插槽而不是节点，那么当出现上述情况时，就可以将故障节点的插槽转移至存活节点上。这样，数据跟插槽绑定，就永远都能够找到数据所在位置。

如何将同一类数据固定的保存在一个插槽中

在业务开发中，同一类型的数据key最好是保存在一个插槽中，因为如果分散保存，在我们调用的时候就很可能出现重定向的情况，重定向是会消耗一部分性能的。如果我们希望将同一类型的数据key最好是保存在一个插槽中，可以为这些key带上一个用’{}'包裹的固定前缀，比如{user}zs、{user}ls等等，因为我们之前说过，当key中包含"{}“，且”{}“中至少包含1个字符时，”{}"中的部分是有效部分，redis会根据这一部分来计算插槽值，如果我们将同一类型的key都加上这类前缀，就能保证这些key在同一个插槽中了

3 集群伸缩

集群已经创建了，那么如果我们想在集群中添加节点或删除节点，又应该怎么做呢？

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：

其中就包括添加节点的命令：

假设现在有以下需求：向集群中添加一个新的master节点7004，并在这个节点中存储 num = 10，执行步骤如下：

3.1 创建节点并添加到集群

1）在/usr/local目录下创建一个文件夹：

cd /usr/local
mkdir 7004

2）拷贝配置文件：

cp redis.conf 7004

3）修改配置文件：

printf '%s\n' 7004 | xargs -I{<!--{cke_protected}{C}%3C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->} -t sed -i 's/6379/{}/g' {<!--{cke_protected}{C}%3C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->}/redis.conf

4）启动

redis-server 7004/redis.conf

接下来就需要将7004添加到集群中了，在执行添加操作之前，我们先来了解以下添加节点的命令

添加节点首先需要以下几个参数：

• new_host:new_port ：指定新添加的节点的ip地址与端口号，这个没什么好说的
• existing_host:existing_port：任意指定一个集群中已经存在的节点的ip地址与端口号。因为集群中加入新节点是需要通知其他旧节点的，新节点只需要将自己的信息提供给集群中任意一个节点，那么整个集群就都能知道关于新节点的信息了
• cluster-slave：可选项，不指定则表示该节点是master，如果指定了则表示该节点是一个slave
• cluster-master-id <arg>：如果我们指定了cluster-slave，那么就需要通过该参数指定该节点的master的id

了解了该命令之后，接下来我们来执行添加节点操作：

执行命令：

redis-cli --cluster add-node 192.168.211.100:7004 192.168.211.100:7001

通过命令查看集群状态：

redis-cli -p 7001 cluster nodes

如图，7004加入了集群，并且默认是一个master节点：

但是，我们也可以看到7004是没有插槽的，因为插槽已经被其他master瓜分完毕了，因此没有任何数据可以存储到7004上，这时候我们就需要进行插槽的转移，即将其他matser的插槽分出一部分给7004

3.2 转移插槽

首先回归需求本身，我们的需求是将num=10存储在7004节点上，那么我们的目的就很明显了，首先需要知道num存储在哪个插槽上，然后将这个插槽转移到7004上即可

如上图所示，num的插槽为2765，该插槽目前是保存在7001上的，因此我们可以将0~3000的插槽从7001转移到7004，转移插槽的命令格式如下：

具体步骤如下：

1）输入转移插槽命令，这里我们需要转移的插槽在7001上，因此需要指定7001的地址

redis-cli --cluster reshard 192.168.211.100:7001

2）系统会询问我们要移动多少个插槽，这里我们输入3000即可

3）系统接着询问我们需要让哪个节点来接收插槽，这里我们需要输入7004的ID

4）接着系统会询问我们要从哪些节点中移动这些插槽到7004

这里我们有三个选择：

• all：代表全部，也就是三个节点各转移一部分
• 具体的id：目标节点的id
• done：表示结束

这里我们需要从7001中获取插槽，因此填写7001的id，然后输入done表示结束

5）接下来会冒出一大串东西，并询问我们是否确定要移动这些插槽，这里我们直接输入yes即可

输入yes之后，等待控制台打印结束，插槽也就移动完毕了

6） 输入以下命令查看插槽是否已经移动到7004

redis-cli -p 7001 cluster nodes

很显然，我们的目的已经达成了

那么如果我们要删除7004节点，又应该怎样做呢？这里笔者只给去具体思路，大家可以自行尝试一下：

• 先将 7004 分配的插槽转移至其他节点
• 执行删除节点命令redis-cli --cluster del-node host:port node_id
• 通过命令查询结果redis-cli -p 7001 cluster nodes

4 故障转移

之前我们提到过，redis分片集群可以通过master之间的心跳监测来监测彼此之间的健康状态，从而取代哨兵。而我们也知道，哨兵的作用就是监测master和slave的状态，当认为一个master客观下线后，会从slave中选举出一个新的master，现在让我们来验证一下redis分片集群是否具备这个功能。

首先集群的初始状态是这样的，如果状态为connected则表示节点正常连接

其中7001、7002、7003、7004都是master，我们计划让7002宕机。

4.1.自动故障转移

当集群中有一个master宕机会发生什么呢？我们可以直接停止一个redis实例，例如7002：

redis-cli -p 7002 shutdown

1）首先是该实例与其它实例失去连接

2）然后是疑似宕机，7002的状态变成了disconnected

3）最后是确定下线，将7002的一个slave提升为新的master，这里由于7002只有一个slave，即8002，因此8002被选为了新的master

4）接下来我们通过以下命令再次启动7002节点

redis-server /usr/local/7002/redis.conf

当7002再次启动之后，它就已经变为一个slave节点了

上面这种叫自动故障转移，但有的时候我们可能需要做手动故障转移，比如当某台master机器比较老旧，需要升级时，我们就可以在这个集群中新增一个节点，让这个节点成为取代原来的master成为新的master，这样原来的master就会变成新master的一个slave，从而实现机器的无感知升级

4.2 手动故障转移

我们可以在slave节点中使用cluster failover命令，这个命令会让当前slave节点的master暂时宕机，宕机期间会将自身的数据转移给执行命令的slave节点，宕机结束后，之前的master会变成slave，而执行命令的slave会变成新的master。

其详细流程如下：

当slave执行了cluster failover命令之后，就会向master节点发送节点替换通知，为了避免数据的丢失，master接收到slave节点发送过来的通知后，就会暂时拒绝来自客户端的任何数据读写请求。然后，master会将自己当前的offset返回给slave，slave接收到后会判断自身数据中的offset与master的offset是否一致，如果不一致，则需要进行数据同步。由于 master 已经拒绝了客户端的所有请求，那么一旦 slave完成数据同步，也就表示slave与master之间数据是完全一致的。

数据同步结束之后，就会开始进行故障转移，让slave与master 进行角色互换，该slave成为新的master，而旧的master则转变为一个新的slave。转移结束后，slave便会标记自己为master，并向集群中每一个节点广播故障转移的结果。当集群中节点收到广播后，后续的所有交互便转移至新的master。

这种failover命令可以指定三种模式：

缺省：默认的流程，如图1~6歩，一般我们会选择这个force：省略了对offset的一致性校验，直接开始故障转移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

接下来我们可以尝试一下，在7002这个slave节点上执行手动故障转移，让它重新夺回master地位，步骤如下：

1）利用redis-cli连接7002，并执行cluster failover命令

2）通过redis-cli -p 7001 cluster nodes命令查看节点状态

5 RedisTemplate访问分片集群

我们只需要通过以下简单的配置，就可以通过Java代码访问我们之前部署好的分片集群

1）在boot项目的pom文件中导入依赖

 <dependency>
 	<groupId>org.springframework.boot</groupId>
	<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
 </dependency>

2）在application.yml中指定sentinel相关信息：

spring:
  redis:
    cluster:
      nodes: #指定分片集群中每一个节点信息
        - 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

3）在项目的启动类中，添加一个新的bean，这个bean是用来做Redis集群的读写分离的

@Bean
public LettuceClientConfigurationBuilderCustomizer clientConfigurationBuilderCustomizer(){
    return clientConfigurationBuilder -> clientConfigurationBuilder.readFrom(ReadFrom.REPLICA_PREFERRED);
}

bean中配置的信息是读写策略，包括四种可选项：

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

上述配置完毕之后，我们就可以正常使用RedisTemplate来对redis集群进行操作，如果集群中某个的master宕机了，集群就会自动选举新的master，并将新master的信息发送给该Java程序，这样Java程序就可以对新master进行写操作而对其他节点进行读操作了。而这一过程都是自动完成的，无需我们过多关注

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