redis的高并发和高可用

如何用 redis 来加多台机器，保证 redis 是高并发的，还有就是如何让 redis 保证自己不是挂掉以后就直接死掉了，即 redis 高可用。

redis 实现高并发主要依靠主从架构，一主多从，一般来说，很多项目其实就足够了，单主用来写入数据，单机几万 QPS，多从用来查询数据，多个从实例可以提供每秒 10w 的 QPS。

主从架构

redis的主从架构就是读写分离，一主多从。

主节点负责写，其他的从节点负责读

其中重要的就是数据的一致性的问题，就是数据的replication。我们采用了主从架构的时候，必须开启持久化

• Redis 采用异步方式复制数据到 slave 节点，不过 Redis2.8 开始，slave node 会周期性地确认自己每次复制的数据量；
• 一个 master node 是可以配置多个 slave node 的；
• slave node 也可以连接其他的 slave node；
• slave node 做复制的时候，不会 block master node 的正常工作；
• slave node 在做复制的时候，也不会 block 对自己的查询操作，它会用旧的数据集来提供服务；但是复制完成的时候，需要删除旧数据集，加载新数据集，这个时候就会暂停对外服务了；
• slave node 主要用来进行横向扩容，做读写分离，扩容的 slave node 可以提高读的吞吐量。
• slave并不会过期key，master的key过期了，会模拟一条del命令发送给slave
• 无磁盘复制，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。只需要在配置文件中开启 repl-diskless-sync yes 即可。

主从复制的核心：就是增量复制和全量复制

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 初次连接到 master node，那么会触发一次 full resynchronization 全量复制。此时 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 client 新收到的所有写命令缓存在内存中。 RDB 文件生成完毕后， 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，接着 master 会将内存中缓存的写命令发送到 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，连接之后 master node 仅会复制给 slave 部分缺少的数据。这个就是增量复制。

那么我们怎么确定是增量复制还是全量复制呢，如果复制的过程中中断了怎么办？

Redis2.8 开始就支持断点传输了。

master node 会在内存中维护一个 backlog，master 和 slave 都会保存一个 replica offset 还有一个 master run 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 replica offset 开始继续复制，如果没有找到对应的 offset，那么就会执行一次 resynchronization 。

那么我们增量复制的时候，主节点的backlog_buffer里面存储我们最近的数据，然后跟从节点的slave_reolica_buffer进行对比，根据差值来进行全量复制还是增量复制。

但是这个缓冲区默认的是1M，我们可以增大这个缓冲区

打开 redis.conf 文件，找到repl-backlog-size，然后修改值即可。

复制的流程：

slave node 启动时，会在自己本地保存 master node 的信息，包括 master node 的 host 和 ip ，但是复制流程没开始。

slave node 内部有个定时任务，每秒检查是否有新的 master node 要连接和复制，如果发现，就跟 master node 建立 socket 网络连接。然后 slave node 发送 ping 命令给 master node。如果 master 设置了 requirepass，那么 slave node 必须发送 masterauth 的口令过去进行认证。master node 第一次执行全量复制，将所有数据发给 slave node。而在后续，master node 持续将写命令，异步复制给 slave node。

全量复制：

• master 执行 bgsave ，在本地生成一份 rdb 快照文件。
• master node 将 rdb 快照文件发送给 slave node，如果 rdb 复制时间超过 60 秒（repl-timeout），那么 slave node 就会认为复制失败，可以适当调大这个参数(对于千兆网卡的机器，一般每秒传输 100MB，6G 文件，很可能超过 60s)
• master node 在生成 rdb 时，会将所有新的写命令缓存在内存中，在 slave node 保存了 rdb 之后，再将新的写命令复制给 slave node。
• 如果在复制期间，内存缓冲区持续消耗超过 64MB，或者一次性超过 256MB，那么停止复制，复制失败。

1

client-output-buffer-limit slave 256MB 64MB 60

• slave node 接收到 rdb 之后，清空自己的旧数据，然后重新加载 rdb 到自己的内存中。注意，在清空旧数据之前，slave node 依然会基于旧的数据版本对外提供服务。
• 如果 slave node 开启了 AOF，那么会立即执行 BGREWRITEAOF，重写 AOF。

增量复制：

• 如果全量复制过程中，master-slave 网络连接断掉，那么 slave 重新连接 master 时，会触发增量复制。
• master 直接从自己的 backlog 中获取部分丢失的数据，发送给 slave node，默认 backlog 就是 1MB。
• master 就是根据 slave 发送的 psync 中的 offset 来从 backlog 中获取数据的。

持久化机制

一般的我们的持久化机制就是

RDB，AOF ，RDB-AOF

持久化主要是做灾难恢复、数据恢复，也可以归类到高可用的一个环节中去，比如你 Redis 整个挂了，然后 Redis 就不可用了，你要做的事情就是让 Redis 变得可用，尽快变得可用。

• RDB：RDB 持久化机制，是对 Redis 中的数据执行周期性的持久化。
• AOF：AOF 机制对每条写入命令作为日志，以 append-only 的模式写入一个日志文件中，在 Redis 重启的时候，可以通过回放 AOF 日志中的写入指令来重新构建整个数据集。

RDB:

• RDB 会生成多个数据文件，每个数据文件都代表了某一个时刻中 Redis 的数据，这种多个数据文件的方式，非常适合做冷备，可以将这种完整的数据文件发送到一些远程的安全存储上去，比如说 Amazon 的 S3 云服务上去，在国内可以是阿里云的 ODPS 分布式存储上，以预定好的备份策略来定期备份 Redis 中的数据。
• RDB 对 Redis 对外提供的读写服务，影响非常小，可以让 Redis 保持高性能，因为 Redis 主进程只需要 fork 一个子进程，让子进程执行磁盘 IO 操作来进行 RDB 持久化即可。
• 相对于 AOF 持久化机制来说，直接基于 RDB 数据文件来重启和恢复 Redis 进程，更加快速。
• 如果想要在 Redis 故障时，尽可能少的丢失数据，那么 RDB 没有 AOF 好。一般来说，RDB 数据快照文件，都是每隔 5 分钟，或者更长时间生成一次，这个时候就得接受一旦 Redis 进程宕机，那么会丢失最近 5 分钟（甚至更长时间）的数据。
• RDB 每次在 fork 子进程来执行 RDB 快照数据文件生成的时候，如果数据文件特别大，可能会导致对客户端提供的服务暂停数毫秒，或者甚至数秒。

AOF:

• AOF 可以更好的保护数据不丢失，一般 AOF 会每隔 1 秒，通过一个后台线程执行一次 fsync 操作，最多丢失 1 秒钟的数据。
• AOF 日志文件以 append-only 模式写入，所以没有任何磁盘寻址的开销，写入性能非常高，而且文件不容易破损，即使文件尾部破损，也很容易修复。
• AOF 日志文件即使过大的时候，出现后台重写操作，也不会影响客户端的读写。因为在 rewrite log 的时候，会对其中的指令进行压缩，创建出一份需要恢复数据的最小日志出来。在创建新日志文件的时候，老的日志文件还是照常写入。当新的 merge 后的日志文件 ready 的时候，再交换新老日志文件即可。
• AOF 日志文件的命令通过可读较强的方式进行记录，这个特性非常适合做灾难性的误删除的紧急恢复。比如某人不小心用 flushall 命令清空了所有数据，只要这个时候后台 rewrite 还没有发生，那么就可以立即拷贝 AOF 文件，将最后一条 flushall 命令给删了，然后再将该 AOF 文件放回去，就可以通过恢复机制，自动恢复所有数据。
• 对于同一份数据来说，AOF 日志文件通常比 RDB 数据快照文件更大。
• AOF 开启后，支持的写 QPS 会比 RDB 支持的写 QPS 低，因为 AOF 一般会配置成每秒 fsync 一次日志文件，当然，每秒一次 fsync ，性能也还是很高的。（如果实时写入，那么 QPS 会大降，Redis 性能会大大降低）
• 以前 AOF 发生过 bug，就是通过 AOF 记录的日志，进行数据恢复的时候，没有恢复一模一样的数据出来。所以说，类似 AOF 这种较为复杂的基于命令日志 merge 回放的方式，比基于 RDB 每次持久化一份完整的数据快照文件的方式，更加脆弱一些，容易有 bug。不过 AOF 就是为了避免 rewrite 过程导致的 bug，因此每次 rewrite 并不是基于旧的指令日志进行 merge 的，而是基于当时内存中的数据进行指令的重新构建，这样健壮性会好很多。

他们都是有优缺点的，我们可以使用RDB-AOF混合的模式

当然appendonly yes也是要启动AOF的，然后一般我们选择appendfsync everysec 配置 AOF 的同步策略为每秒一次

在 redis.conf 文件中，找到aof-use-rdb-preamble yes

这意味着当 AOF 进行 rewrite （重写）时，会使用 RDB 格式的数据作为 AOF 文件的前置内容，然后才是增量的 AOF 命令。 这能大大缩短 Redis 重启时加载 AOF 文件的速度。

然后重启redis，使配置生效

哨兵模式

sentinel，中文名是哨兵。哨兵是 Redis 集群架构中非常重要的一个组件，主要有以下功能：

• 集群监控：负责监控 Redis master 和 slave 进程是否正常工作。
• 消息通知：如果某个 Redis 实例有故障，那么哨兵负责发送消息作为报警通知给管理员。
• 故障转移：如果 master node 挂掉了，会自动转移到 slave node 上。

• 配置中心：如果故障转移发生了，通知 client 客户端新的 master 地址。

• 哨兵至少需要 3 个实例，来保证自己的健壮性。按照需求设置配置 quorum=

哨兵在让redis node进行主备切换的时候可能会出现数据丢失的问题

异步复制导致的数据丢失：

因为 master->slave 的复制是异步的，所以可能有部分数据还没复制到 slave，master 就宕机了，此时这部分数据就丢失了。

脑裂问题导致的数据丢失:

脑裂，也就是说，某个 master 所在机器突然脱离了正常的网络，跟其他 slave 机器不能连接，但是实际上 master 还运行着。此时哨兵可能就会认为 master 宕机了，然后开启选举，将其他 slave 切换成了 master。这个时候，集群里就会有两个 master ，也就是所谓的脑裂。

此时虽然某个 slave 被切换成了 master，但是可能 client 还没来得及切换到新的 master，还继续向旧 master 写数据。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。而新的 master 并没有后来 client 写入的数据，因此，这部分数据也就丢失了。

解决：：

进行如下配置：

1
2

min-slaves-to-write 1
min-slaves-max-lag 10

表示，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。

• 减少异步复制数据的丢失

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。

• 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。因此在脑裂场景下，最多就丢失 10 秒的数据。

自动发现机制：

哨兵互相之间的发现，是通过 Redis 的 pub/sub 系统实现的，每个哨兵都会往 __sentinel__:hello 这个 channel 里发送一个消息，这时候所有其他哨兵都可以消费到这个消息，并感知到其他的哨兵的存在。

每隔两秒钟，每个哨兵都会往自己监控的某个 master+slaves 对应的 __sentinel__:hello channel 里发送一个消息，内容是自己的 host、ip 和 runid 还有对这个 master 的监控配置。

每个哨兵也会去监听自己监控的每个 master+slaves 对应的 __sentinel__:hello channel，然后去感知到同样在监听这个 master+slaves 的其他哨兵的存在。

每个哨兵还会跟其他哨兵交换对 master 的监控配置，互相进行监控配置的同步。

选举算法：

如果一个 master 被认为 odown 了，而且 majority 数量的哨兵都允许主备切换，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：

• 跟 master 断开连接的时长
• slave 优先级
• 复制 offset
• run id

如果一个 slave 跟 master 断开连接的时间已经超过了 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。

1

(down-after-milliseconds * 10) + milliseconds_since_master_is_in_SDOWN_state

接下来会对 slave 进行排序：

• 按照 slave 优先级进行排序，slave priority 越低，优先级就越高。
• 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。
• 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。

configuration epoch：

哨兵会对一套 Redis master+slaves 进行监控，有相应的监控的配置。

执行切换的那个哨兵，会从要切换到的新 master（salve->master）那里得到一个 configuration epoch，这就是一个 version 号，每次切换的 version 号都必须是唯一的。

如果第一个选举出的哨兵切换失败了，那么其他哨兵，会等待 failover-timeout 时间，然后接替继续执行切换，此时会重新获取一个新的 configuration epoch，作为新的 version 号。

哨兵完成切换之后，会在自己本地更新生成最新的 master 配置，然后同步给其他的哨兵，就是通过之前说的 pub/sub 消息机制。

这里之前的 version 号就很重要了，因为各种消息都是通过一个 channel 去发布和监听的，所以一个哨兵完成一次新的切换之后，新的 master 配置是跟着新的 version 号的。其他的哨兵都是根据版本号的大小来更新自己的 master 配置的。

集群

一般我们使用的使redis原生的集群，Redis cluster，主要是针对海量数据+高并发+高可用的场景。Redis cluster 支撑 N 个 Redis master node，每个 master node 都可以挂载多个 slave node。这样整个 Redis 就可以横向扩容了。如果你要支撑更大数据量的缓存，那就横向扩容更多的 master 节点，每个 master 节点就能存放更多的数据了。

介绍：

• 自动将数据进行分片，每个 master 上放一部分数据
• 提供内置的高可用支持，部分 master 不可用时，还是可以继续工作的

在 Redis cluster 架构下，每个 Redis 要放开两个端口号，比如一个是 6379，另外一个就是 加 1w 的端口号，比如 16379。

16379 端口号是用来进行节点间通信的，也就是 cluster bus 的东西，cluster bus 的通信，用来进行故障检测、配置更新、故障转移授权。cluster bus 用了另外一种二进制的协议， gossip 协议，用于节点间进行高效的数据交换，占用更少的网络带宽和处理时间。

节点之间的通信：

集群元数据的维护有两种方式：集中式、Gossip 协议。Redis cluster 节点间采用 gossip 协议进行通信。

集中式是将集群元数据（节点信息、故障等等）集中存储在某个节点上。集中式元数据集中存储的一个典型代表，就是大数据领域的 storm 。它是分布式的大数据实时计算引擎，是集中式的元数据存储的结构，底层基于 zookeeper（分布式协调的中间件）对所有元数据进行存储维护。

Redis 维护集群元数据采用另一个方式， gossip 协议，所有节点都持有一份元数据，不同的节点如果出现了元数据的变更，就不断将元数据发送给其它的节点，让其它节点也进行元数据的变更。

集中式的好处在于，元数据的读取和更新，时效性非常好，一旦元数据出现了变更，就立即更新到集中式的存储中，其它节点读取的时候就可以感知到；不好在于，所有的元数据的更新压力全部集中在一个地方，可能会导致元数据的存储有压力。

gossip 好处在于，元数据的更新比较分散，不是集中在一个地方，更新请求会陆陆续续打到所有节点上去更新，降低了压力；不好在于，元数据的更新有延时，可能导致集群中的一些操作会有一些滞后。

• 10000 端口：每个节点都有一个专门用于节点间通信的端口，就是自己提供服务的端口号+10000，比如 7001，那么用于节点间通信的就是 17001 端口。每个节点每隔一段时间都会往另外几个节点发送 ping 消息，同时其它几个节点接收到 ping 之后返回 pong 。
• 交换的信息：信息包括故障信息，节点的增加和删除，hash slot 信息等等。

gossip协议：

gossip 协议包含多种消息，包含 ping , pong , meet , fail 等等。

• meet：某个节点发送 meet 给新加入的节点，让新节点加入集群中，然后新节点就会开始与其它节点进行通信。

1

Redis-trib.rb add-node

其实内部就是发送了一个 gossip meet 消息给新加入的节点，通知那个节点去加入我们的集群。

• ping：每个节点都会频繁给其它节点发送 ping，其中包含自己的状态还有自己维护的集群元数据，互相通过 ping 交换元数据。
• pong：返回 ping 和 meet，包含自己的状态和其它信息，也用于信息广播和更新。
• fail：某个节点判断另一个节点 fail 之后，就发送 fail 给其它节点，通知其它节点说，某个节点宕机啦。

ping:

ping 时要携带一些元数据，如果很频繁，可能会加重网络负担。

每个节点每秒会执行 10 次 ping，每次会选择 5 个最久没有通信的其它节点。当然如果发现某个节点通信延时达到了 cluster_node_timeout / 2 ，那么立即发送 ping，避免数据交换延时过长，落后的时间太长了。比如说，两个节点之间都 10 分钟没有交换数据了，那么整个集群处于严重的元数据不一致的情况，就会有问题。所以 cluster_node_timeout 可以调节，如果调得比较大，那么会降低 ping 的频率。

每次 ping，会带上自己节点的信息，还有就是带上 1/10 其它节点的信息，发送出去，进行交换。至少包含 3 个其它节点的信息，最多包含 总节点数减 2 个其它节点的信息。

分布式寻址算法：

• hash 算法（大量缓存重建）
• 一致性 hash 算法（自动缓存迁移）+ 虚拟节点（自动负载均衡）
• Redis cluster 的 hash slot 算法

hash：

来了一个 key，首先计算 hash 值，然后对节点数取模。然后打在不同的 master 节点上。一旦某一个 master 节点宕机，所有请求过来，都会基于最新的剩余 master 节点数去取模，尝试去取数据。这会导致大部分的请求过来，全部无法拿到有效的缓存，导致大量的流量涌入数据库。

一致性hash：

一致性 hash 算法将整个 hash 值空间组织成一个虚拟的圆环，整个空间按顺时针方向组织，下一步将各个 master 节点（使用服务器的 ip 或主机名）进行 hash。这样就能确定每个节点在其哈希环上的位置。

来了一个 key，首先计算 hash 值，并确定此数据在环上的位置，从此位置沿环顺时针“行走”，遇到的第一个 master 节点就是 key 所在位置。

在一致性哈希算法中，如果一个节点挂了，受影响的数据仅仅是此节点到环空间前一个节点（沿着逆时针方向行走遇到的第一个节点）之间的数据，其它不受影响。增加一个节点也同理。

燃鹅，一致性哈希算法在节点太少时，容易因为节点分布不均匀而造成缓存热点的问题。为了解决这种热点问题，一致性 hash 算法引入了虚拟节点机制，即对每一个节点计算多个 hash，每个计算结果位置都放置一个虚拟节点。这样就实现了数据的均匀分布，负载均衡。

Redis cluster 的 hash slot 算法:

Redis cluster 有固定的 16384 个 hash slot，对每个 key 计算 CRC16 值，然后对 16384 取模，可以获取 key 对应的 hash slot。

Redis cluster 中每个 master 都会持有部分 slot，比如有 3 个 master，那么可能每个 master 持有 5000 多个 hash slot。hash slot 让 node 的增加和移除很简单，增加一个 master，就将其他 master 的 hash slot 移动部分过去，减少一个 master，就将它的 hash slot 移动到其他 master 上去。移动 hash slot 的成本是非常低的。客户端的 api，可以对指定的数据，让他们走同一个 hash slot，通过 hash tag 来实现。

任何一台机器宕机，另外两个节点，不影响的。因为 key 找的是 hash slot，不是机器。