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Redis读写分离和分布式缓存算法原理

丁D
学无止境
2019-05-29 22:45
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Redis 哨兵分布式缓存

摘要本文介绍Redis哨兵和分布式缓存的原理。

###读写分离、主从复制
当启动一个slave node的时候，它会发送一个PSYNC命令给master node

如果这是slave node重新连接master node，那么master node仅仅会复制给slave部分缺少的数据; 否则如果是slave node第一次连接master node，那么会触发一次full resynchronization

开始full resynchronization的时候，master会启动一个后台线程，开始生成一份RDB快照文件，同时还会将从客户端收到的所有写命令缓存在内存中。RDB文件生成完毕之后，master会将这个RDB发送给slave，slave会先写入本地磁盘，然后再从本地磁盘加载到内存中。然后master会将内存中缓存的写命令发送给slave，slave也会同步这些数据。

slave node如果跟master node有网络故障，断开了连接，会自动重连。master如果发现有多个slave node都来重新连接，仅仅会启动一个rdb save操作，用一份数据服务所有slave node。

2、主从复制的断点续传
https://www.jianshu.com/p/532149db7650

从redis 2.8开始，就支持主从复制的断点续传，如果主从复制过程中，网络连接断掉了，那么可以接着上次复制的地方，继续复制下去，而不是从头开始复制一份

master node会在内存中常见一个backlog，master和slave都会保存一个replica offset还有一个master id，offset就是保存在backlog中的。如果master和slave网络连接断掉了，slave会让master从上次的replica offset开始继续复制

但是如果没有找到对应的offset，那么就会执行一次resynchronization

3、无磁盘化复制

master在内存中直接创建rdb，然后发送给slave，不会在自己本地落地磁盘了

repl-diskless-sync
repl-diskless-sync-delay，等待一定时长再开始复制，因为要等更多slave重新连接过来

4、过期key处理

slave不会过期key，只会等待master过期key。如果master过期了一个key，或者通过LRU淘汰了一个key，那么会模拟一条del命令发送给slave。

###哨兵基础知识
从之前学习到的知识我们知道，**读写分离**能提高读的**吞吐量**，提高高的**QPS**,但是却不能保证主节点的高可用。**sentinal（哨兵）**是redis集群中非常重要的组件，能保证集群的高可用。

哨兵作用：
1.**集群检测**，检查redis master和slave是否正常工作
2.**消息通知**，当检测到redis实例有故障，可以通过api通知管理员
3.**故障转移**，当发现master节点挂了，会提拔一个slave当作master。

哨兵本身也是**分布式**的，作为一个哨兵集群去运行；
一般来说至少需要**3个**哨兵实例，来保证自身的健壮性；
哨兵不能保证redis**数据的0丢失**，只能保证redis集群的高可用。

经典的哨兵集群（3个）
```js
       +----+
       | M1 |
       | S1 |
       +----+
          |
+----+    |    +----+
| R2 |----+----| R3 |
| S2 |         | S3 |
+----+         +----+
```

为什么哨兵需要部署两个节点以上？
要进行主从切换要满足下面两个条件
**1.Configuration: quorum = 1**

当master宕机的时候至少需要quorum个哨兵几点认为master宕机才可以进行主从切换

**2.majority**
需要majority，也就是大多数哨兵都是运行的，2个哨兵的majority就是2（2的majority=2，3的majority=2，5的majority=3，4的majority=2），2个哨兵都运行着，就可以允许执行故障转移

**slave->master选举算法**

https://www.cnblogs.com/codecheng99/p/12383589.html#slave-master-%E9%80%89%E4%B8%BE%E7%AE%97%E6%B3%95
如果一个master被认为odown了，而且majority哨兵都允许了主备切换，那么某个哨兵就会执行主备切换操作，此时首先要选举一个slave来

会考虑slave的一些信息

**（1）跟master断开连接的时长
（2）slave优先级
（3）复制offset
（4）run id**

如果一个slave跟master断开连接已经超过了down-after-milliseconds的10倍，外加master宕机的时长，那么slave就被认为不适合选举为master

(down-after-milliseconds * 10) + milliseconds_since_master_is_in_SDOWN_state

接下来会对slave进行排序

（1）按照slave优先级进行排序，slave priority越低，优先级就越高
（2）如果slave priority相同，那么看replica offset，哪个slave复制了越多的数据，offset越靠后，优先级就越高
（3）如果上面两个条件都相同，那么选择一个run id比较小的那个slave
###哨兵主备切换，数据丢失，脑裂问题

数据丢失两种情况

（1）**异步复制导致的数据丢失**
因为redis 主从复制的异步的，所以当master宕机了，但是数据还没来得及复制到slave节点，哨兵当slave提拔为master这时候数据的丢失了。

（2）**脑裂导致的数据丢失**

当网络原因或者其他原因，master与slave和哨兵集群连接不上；这个时候哨兵会认为master宕机了，会提拔一个slave当作master，而实际上master没有宕机还在为客户端提供服务，某个slave被切换成了master，但是可能client还没来得及切换到新的master，还继续写向旧master的数据可能也丢失了

因此旧master再次恢复的时候，会被作为一个slave挂到新的master上去，自己的数据会清空，重新从新的master复制数据

**解决异步复制和脑裂导致的数据丢失**
```js
min-slaves-to-write 1
min-slaves-max-lag 10
```  
要求至少有1个slave，数据复制和同步的延迟不能超过10秒

如果说一旦所有的slave，数据复制和同步的延迟都超过了10秒钟，那么这个时候，master就不会再接收任何请求了

上面两个配置可以减少异步复制和脑裂导致的数据丢失

（1）**减少异步复制的数据丢失**

有了min-slaves-max-lag这个配置，就可以确保说，一旦slave复制数据和ack延时太长，就认为可能master宕机后损失的数据太多了，那么就拒绝写请求，这样可以把master宕机时由于部分数据未同步到slave导致的数据丢失降低的可控范围内

（2）**减少脑裂的数据丢失**

如果一个master出现了脑裂，跟其他slave丢了连接，那么上面两个配置可以确保说，如果不能继续给指定数量的slave发送数据，而且slave超过10秒没有给自己ack消息，那么就直接拒绝客户端的写请求

这样脑裂后的旧master就不会接受client的新数据，也就避免了数据丢失

上面的配置就确保了，如果跟任何一个slave丢了连接，在10秒后发现没有slave给自己ack，那么就拒绝新的写请求

因此在脑裂场景下，最多就丢失10秒的数据

###redis主从复制+高可用，横向扩展1T的数据

读写分离的架构，对于每个master来说，写就写到master，然后读就从mater对应的slave去读，这个时候master能存多少数据就受到master节点物理机的限制，假设master的内存只有64G那么master就只能缓存64G的数据，当超过一定数量，redis会通过淘汰算法来删除即将过期的数据等。

所以这个时候我们就可以需要支持多个master来横向扩展，提高缓存能支撑的数据量。这种方式叫**redis cluster**

我们只要基于redis cluster去搭建redis集群即可，不需要手工去搭建replication复制+主从架构+读写分离+哨兵集群+高可用

**redis cluster vs. replication + sentinal如何选择？
**

如果你的**数据量很少，主要是承载高并发高性能的场景**，比如你的缓存一般就几个G，单机足够了

replication，一个mater，多个slave，要几个slave跟你的要求的读**吞吐量**有关系，然后自己搭建一个**sentinal**集群，去保证redis主从架构的高可用性，就可以了

redis cluster，主要是针对**海量数据+高并发+高可用的**场景，海量数据，如果你的数据量很大，那么建议就用redis cluster

###redis数据分布算法
当redis要处理海量数据的时候，需要多个master来对redis集群进行扩容，从而支撑海量的数据，而这里主要介绍当多个master的时候数据存储在哪个master中。

**hash算法**
对存活的master求余数
假设master有3个节点
hash算法只要是指当一个key请求过来的时候，计算key的hash值，并对master的节点数（3个）求余，
从而将key请求到某一个节点。

当一个master宕机的时候，一个key请求过来，同样对key计算hash值，然后对master节点数求余数（2个），这时候发现求出来的余数跟之前对应不上，导致请求的节点没有数据需要到数据库去查询，这种算法只要有一个节点宕机就需要对缓存数据重新分布。

**一致性hash算法**
环形结构，将节点放在环上（可以搞几个虚拟节点，让其分散得均匀）。
将key计算hash放在环上，顺时针找到对应得节点，，这样如果有一台机器gg，，只是需要移动一小部分数据。。。

**hash solt算法**
槽slot 16384
redis cluster每个实例分一些slot（可以平分。。具体要自己计算）
将key计算映射到对应得slot中，当一个请求过来，到任意一个redis实例的时候，
redis实例发现不是对应自己的slot将会返回  真实的redis实例，，客户端然后在去请求真实的服务器获取数据。

Redis 集群没有并使用传统的一致性哈希来分配数据，而是采用另外一种叫做哈希槽 (hash slot)的方式来分配的。redis cluster 默认分配了 16384 个slot，当我们set一个key 时，会用CRC16算法来取模得到所属的slot，然后将这个key 分到哈希槽区间的节点上，具体算法就是：CRC16(key) % 16384。

gossip 
https://stor.51cto.com/art/201912/608491.htm

**为什么redis是16384个slot？**
https://blog.csdn.net/fujiandiyi008/article/details/100147553

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