redis集群方案的优缺点以及原理

Posted 2023-04-01 妮蔻

 

如果主库挂了，我们就需要运行一个新主库，比如说把一个从库切换为主库，把它当成主库。

这就涉及到三个问题：

　　主库真的挂了吗？

　　该选择哪个从库作为主库？

　　怎么把新主库的相关信息通知给从库和客户端呢？

 

这就要提到哨兵机制了。在 Redis 主从集群中，哨兵机制是实现主从库自动切换的关键机制，它有效地解决了主从复制模式下故障转移的这三个问题。

1.1 哨兵机制的基本流程

哨兵其实就是一个运行在特殊模式下的 Redis 进程，主从库实例运行的同时，它也在运行。哨兵主要负责的就是三个任务：监控、选主（选择主库）和通知。

　　监控：是指哨兵进程在运行时，周期性地给所有的主从库发送 PING 命令，检测它们是否仍然在线运行。如果从库没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会把它标记为“下线状态”；同样，如果主库也没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会判定主库下线，然后开始自动切换主库的流程。

      这个流程首先是执行哨兵的第二个任务，选主：主库挂了以后，哨兵就需要从很多个从库里，按照一定的规则选择一个从库实例，把它作为新的主库。这一步完成后，现在的集群里就有了新主库。

　　哨兵会执行最后一个任务，通知：在执行通知任务时，哨兵会把新主库的连接信息发给其他从库，让它们执行 replicaof 命令，和新主库建立连接，并进行数据复制。同时，哨兵会把新主库的连接信息通知给客户端，让它们把请求操作发到新主库上。

 

这三个任务以及它们各自的目标。如下图：

 

 

 在这三个任务中，通知任务相对来说比较简单，哨兵只需要把新主库信息发给从库和客户端，让它们和新主库建立连接就行，并不涉及决策的逻辑。但是，在监控和选主这两个任务中，哨兵需要做出两个决策：

　　在监控任务中，哨兵需要判断主库是否处于下线状态；

　　在选主任务中，哨兵也要决定选择哪个从库实例作为主库。

 

哨兵对主库的下线判断有“主观下线”和“客观下线”两种。那么，为什么会存在两种判断呢？它们的区别和联系是什么呢？

　　主观下线：哨兵进程会使用 PING 命令检测它自己和主、从库的网络连接情况，用来判断实例的状态。如果哨兵发现主库或从库对 PING 命令的响应超时了，那么，哨兵就会先把它标记为“主观下线”。如果检测的是从库，那么，哨兵简单地把它标记为“主观下线”就行了，因为从库的下线影响一般不太大，集群的对外服务不会间断。但是，如果检测的是主库，那么，哨兵还不能简单地把它标记为“主观下线”，开启主从切换。因为很有可能存在这么一个情况：那就是哨兵误判了，其实主库并没有故障。可是，一旦启动了主从切换，后续的选主和通知操作都会带来额外的计算和通信开销。

为了避免这些不必要的开销，我们要特别注意误判的情况。误判就是主库实际并没有下线，但是哨兵误以为它下线了。误判一般会发生在集群网络压力较大、网络拥塞，或者是主库本身压力较大的情况下。一旦哨兵判断主库下线了，就会开始选择新主库，并让从库和新主库进行数据同步，这个过程本身就会有开销，例如，哨兵要花时间选出新主库，从库也需要花时间和新主库同步。而在误判的情况下，主库本身根本就不需要进行切换的，所以这个过程的开销是没有价值的。正因为这样，我们需要判断是否有误判，以及减少误判。

那怎么减少误判呢？

　　它通常会采用多实例组成的集群模式进行部署，这也被称为哨兵集群。引入多个哨兵实例一起来判断，就可以避免单个哨兵因为自身网络状况不好，而误判主库下线的情况。同时，多个哨兵的网络同时不稳定的概率较小，由它们一起做决策，误判率也能降低。

在判断主库是否下线时，不能由一个哨兵说了算，只有大多数的哨兵实例，都判断主库已经“主观下线”了，主库才会被标记为“客观下线”，这个叫法也是表明主库下线成为一个客观事实了。这个判断原则就是：少数服从多数。同时，这会进一步触发哨兵开始主从切换流程。

 

 

 简单来说，“客观下线”的标准就是，当有 N 个哨兵实例时，最好要有 N/2 + 1 个实例判断主库为“主观下线”，才能最终判定主库为“客观下线”。这样一来，就可以减少误判的概率，也能避免误判带来的无谓的主从库切换。（当然，有多少个实例做出“主观下线”的判断才可以，可以由 Redis 管理员自行设定）。

如果主库的确下线了，哨兵就要开始下一个决策过程了，即从许多从库中，选出一个从库来做新主库。

 

如何选定新主库？

在多个从库中，先按照一定的筛选条件，把不符合条件的从库去掉。然后，我们再按照一定的规则，给剩下的从库逐个打分，将得分最高的从库选为新主库。

 

 

 一般情况下，我们肯定要先保证所选的从库仍然在线运行。不过，在选主时从库正常在线，这只能表示从库的现状良好，并不代表它就是最适合做主库的。

设想一下，如果在选主时，一个从库正常运行，我们把它选为新主库开始使用了。可是，很快它的网络出了故障，此时，我们就得重新选主了。这显然不是我们期望的结果。

所以，在选主时，除了要检查从库的当前在线状态，还要判断它之前的网络连接状态。如果从库总是和主库断连，而且断连次数超出了一定的阈值，我们就有理由相信，这个从库的网络状况并不是太好，就可以把这个从库筛掉了。

具体怎么判断呢？

　　你使用配置项 down-after-milliseconds * 10。其中，down-after-milliseconds 是我们认定主从库断连的最大连接超时时间。如果在 down-after-milliseconds 毫秒内，主从节点都没有通过网络联系上，我们就可以认为主从节点断连了。如果发生断连的次数超过了 10 次，就说明这个从库的网络状况不好，不适合作为新主库。

接下来就要给剩余的从库打分了。我们可以分别按照三个规则依次进行三轮打分，这三个规则分别是从库优先级、从库复制进度以及从库 ID 号。

第一轮：优先级最高的从库得分高。

　　用户可以通过 slave-priority 配置项，给不同的从库设置不同优先级。比如，你有两个从库，它们的内存大小不一样，你可以手动给内存大的实例设置一个高优先级。在选主时，哨兵会给优先级高的从库打高分，如果有一个从库优先级最高，那么它就是新主库了。如果从库的优先级都一样，那么哨兵开始第二轮打分。

第二轮：和旧主库同步程度最接近的从库得分高。　　

　　这个规则的依据是，如果选择和旧主库同步最接近的那个从库作为主库，那么，这个新主库上就有最新的数。如何判断从库和旧主库间的同步进度呢？

从库同步时有个命令传播的过程。在这个过程中，主库会用 master_repl_offset 记录当前的最新写操作在 repl_backlog_buffer 中的位置，而从库会用 slave_repl_offset 这个值记录当前的复制进度。此时，我们想要找的从库，它的 slave_repl_offset 需要最接近 master_repl_offset。如果在所有从库中，有从库的 slave_repl_offset 最接近 master_repl_offset，那么它的得分就最高，可以作为新主库。

就像下图所示，旧主库的 master_repl_offset 是 1000，从库 1、2 和 3 的 slave_repl_offset 分别是 950、990 和 900，那么，从库 2 就应该被选为新主库

 

 

 当然，如果有两个从库的 slave_repl_offset 值大小是一样的（例如，从库 1 和从库 2 的 slave_repl_offset 值都是 990），我们就需要给它们进行第三轮打分了。

第三轮：ID 号小的从库得分高。

每个实例都会有一个 ID，这个 ID 就类似于这里的从库的编号。目前，Redis 在选主库时，有一个默认的规定：在优先级和复制进度都相同的情况下，ID 号最小的从库得分最高，会被选为新主库。

 

哨兵在操作主从切换的过程中，客户端能否正常地进行请求操作？

　　主从集群一般是采用读写分离模式，当主库故障后，客户端仍然可以把读请求发送给从库，让从库服务。但是，对于写请求操作，客户端就无法执行了。由于此时主库已经挂了，而且哨兵还没有选出新的主库，所以在这期间写请求会失败，失败持续的时间 = 哨兵切换主从的时间 + 客户端感知到新主库 的时间。

 

如果想要应用程序不感知服务的中断，还需要哨兵或客户端再做些什么吗？

一方面，客户端需要能缓存应用发送的写请求。只要不是同步写操作（Redis 应用场景一般也没有同步写），写请求通常不会在应用程序的关键路径上，所以，客户端缓存写请求后，给应用程序返回一个确认就行。另一方面，主从切换完成后，客户端要能和新主库重新建立连接，哨兵需要提供订阅频道，让客户端能够订阅到新主库的信息。同时，客户端也需要能主动和哨兵通信，询问新主库的信息。

 

我们还是要考虑一个问题：如果有哨兵实例在运行时发生了故障，主从库还能正常切换吗？

实际上，一旦多个实例组成了哨兵集群，即使有哨兵实例出现故障挂掉了，其他哨兵还能继续协作完成主从库切换的工作，包括判定主库是不是处于下线状态，选择新主库，以及通知从库和客户端。

如果你部署过哨兵集群的话就会知道，在配置哨兵的信息时，我们只需要用到下面的这个配置项，设置主库的 IP 和端口，并没有配置其他哨兵的连接信息。

sentinel monitor <master-name> <ip> <redis-port> <quorum> 

这些哨兵实例既然都不知道彼此的地址，又是怎么组成集群的呢？要弄明白这个问题，我们就需要学习一下哨兵集群的组成和运行机制了。

1.2基于 pub/sub 机制的哨兵集群组成

哨兵实例之间可以相互发现，要归功于 Redis 提供的 pub/sub 机制，也就是发布 / 订阅机制。

哨兵只要和主库建立起了连接，就可以在主库上发布消息了，比如说发布它自己的连接信息（IP 和端口）。同时，它也可以从主库上订阅消息，获得其他哨兵发布的连接信息。当多个哨兵实例都在主库上做了发布和订阅操作后，它们之间就能知道彼此的 IP 地址和端口。

除了哨兵实例，我们自己编写的应用程序也可以通过 Redis 进行消息的发布和订阅。所以，为了区分不同应用的消息，Redis 会以频道的形式，对这些消息进行分门别类的管理。所谓的频道，实际上就是消息的类别。当消息类别相同时，它们就属于同一个频道。反之，就属于不同的频道。只有订阅了同一个频道的应用，才能通过发布的消息进行信息交换。

在主从集群中，主库上有一个名为“__sentinel__:hello”的频道，不同哨兵就是通过它来相互发现，实现互相通信的。

我来举个例子，具体说明一下。在下图中，哨兵 1 把自己的 IP（172.16.19.3）和端口（26579）发布到“__sentinel__:hello”频道上，哨兵 2 和 3 订阅了该频道。那么此时，哨兵 2 和 3 就可以从这个频道直接获取哨兵 1 的 IP 地址和端口号。

然后，哨兵 2、3 可以和哨兵 1 建立网络连接。通过这个方式，哨兵 2 和 3 也可以建立网络连接，这样一来，哨兵集群就形成了。它们相互间可以通过网络连接进行通信，比如说对主库有没有下线这件事儿进行判断和协商。

 

 

 哨兵除了彼此之间建立起连接形成集群外，还需要和从库建立连接。这是因为，在哨兵的监控任务中，它需要对主从库都进行心跳判断，而且在主从库切换完成后，它还需要通知从库，让它们和新主库进行同步。

那么，哨兵是如何知道从库的 IP 地址和端口的呢？

这是由哨兵向主库发送 INFO 命令来完成的。就像下图所示，哨兵 2 给主库发送 INFO 命令，主库接受到这个命令后，就会把从库列表返回给哨兵。接着，哨兵就可以根据从库列表中的连接信息，和每个从库建立连接，并在这个连接上持续地对从库进行监控。哨兵 1 和 3 可以通过相同的方法和从库建立连接。

 

 

 你看，通过 pub/sub 机制，哨兵之间可以组成集群，同时，哨兵又通过 INFO 命令，获得了从库连接信息，也能和从库建立连接，并进行监控了。但是，哨兵不能只和主、从库连接。因为，主从库切换后，客户端也需要知道新主库的连接信息，才能向新主库发送请求操作。所以，哨兵还需要完成把新主库的信息告诉客户端这个任务。而且，在实际使用哨兵时，我们有时会遇到这样的问题：如何在客户端通过监控了解哨兵进行主从切换的过程呢？比如说，主从切换进行到哪一步了？这其实就是要求，客户端能够获取到哨兵集群在监控、选主、切换这个过程中发生的各种事件。

1.3 基于 pub/sub 机制的客户端事件通知

从本质上说，哨兵就是一个运行在特定模式下的 Redis 实例，只不过它并不服务请求操作，只是完成监控、选主和通知的任务。所以，每个哨兵实例也提供 pub/sub 机制，客户端可以从哨兵订阅消息。哨兵提供的消息订阅频道有很多，不同频道包含了主从库切换过程中的不同关键事件。

 

 

 知道了这些频道之后，你就可以让客户端从哨兵这里订阅消息了。具体的操作步骤是，客户端读取哨兵的配置文件后，可以获得哨兵的地址和端口，和哨兵建立网络连接。然后，我们可以在客户端执行订阅命令，来获取不同的事件消息。

举个例子，你可以执行如下命令，来订阅“所有实例进入客观下线状态的事件”：

SUBSCRIBE +odown

当然，你也可以执行如下命令，订阅所有的事件：

PSUBSCRIBE  *

当哨兵把新主库选择出来后，客户端就会看到下面的 switch-master 事件。这个事件表示主库已经切换了，新主库的 IP 地址和端口信息已经有了。这个时候，客户端就可以用这里面的新主库地址和端口进行通信了。

switch-master <master name> <oldip> <oldport> <newip> <newport>

有了这些事件通知，客户端不仅可以在主从切换后得到新主库的连接信息，还可以监控到主从库切换过程中发生的各个重要事件。这样，客户端就可以知道主从切换进行到哪一步了，有助于了解切换进度。

1.4 主库故障以后，哨兵集群有多个实例，那怎么确定由哪个哨兵来进行实际的主从切换呢？

确定由哪个哨兵执行主从切换的过程，和主库“客观下线”的判断过程类似，也是一个“投票仲裁”的过程。在具体了解这个过程前，我们再来看下，判断“客观下线”的仲裁过程。哨兵集群要判定主库“客观下线”，需要有一定数量的实例都认为该主库已经“主观下线”了。我在上节课向你介绍了判断“客观下线”的原则，接下来，我介绍下具体的判断过程。任何一个实例只要自身判断主库“主观下线”后，就会给其他实例发送 is-master-down-by-addr 命令。接着，其他实例会根据自己和主库的连接情况，做出 Y 或 N 的响应，Y 相当于赞成票，N 相当于反对票。

 

 

 一个哨兵获得了仲裁所需的赞成票数后，就可以标记主库为“客观下线”。这个所需的赞成票数是通过哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的。例如，现在有 5 个哨兵，quorum 配置的是 3，那么，一个哨兵需要 3 张赞成票，就可以标记主库为“客观下线”了。这 3 张赞成票包括哨兵自己的一张赞成票和另外两个哨兵的赞成票。

此时，这个哨兵就可以再给其他哨兵发送命令，表明希望由自己来执行主从切换，并让所有其他哨兵进行投票。这个投票过程称为“Leader 选举”。因为最终执行主从切换的哨兵称为 Leader，投票过程就是确定 Leader。

在投票过程中，任何一个想成为 Leader 的哨兵，要满足两个条件：第一，拿到半数以上的赞成票；第二，拿到的票数同时还需要大于等于哨兵配置文件中的 quorum 值。以 3 个哨兵为例，假设此时的 quorum 设置为 2，那么，任何一个想成为 Leader 的哨兵只要拿到 2 张赞成票，就可以了。

 

2.分片集群

切片集群，也叫分片集群，就是指启动多个 Redis 实例组成一个集群，然后按照一定的规则，把收到的数据划分成多份，每一份用一个实例来保存。回到我们刚刚的场景中，如果把 25GB 的数据平均分成 5 份（当然，也可以不做均分），使用 5 个实例来保存，每个实例只需要保存 5GB 数据。如下图所示：

 

 那么，在切片集群中，实例在为 5GB 数据生成 RDB 时，数据量就小了很多，fork 子进程一般不会给主线程带来较长时间的阻塞。采用多个实例保存数据切片后，我们既能保存 25GB 数据，又避免了 fork 子进程阻塞主线程而导致的响应突然变慢。在实际应用 Redis 时，随着用户或业务规模的扩展，保存大量数据的情况通常是无法避免的。而切片集群，就是一个非常好的解决方案。

如何保存更多数据？

在刚刚的案例里，为了保存大量数据，我们使用了大内存云主机和切片集群两种方法。实际上，这两种方法分别对应着 Redis 应对数据量增多的两种方案：纵向扩展（scale up）和横向扩展（scale out）。

纵向扩展：升级单个 Redis 实例的资源配置，包括增加内存容量、增加磁盘容量、使用更高配置的 CPU。就像下图中，原来的实例内存是 8GB，硬盘是 50GB，纵向扩展后，内存增加到 24GB，磁盘增加到 150GB。

横向扩展：横向增加当前 Redis 实例的个数，就像下图中，原来使用 1 个 8GB 内存、50GB 磁盘的实例，现在使用三个相同配置的实例。

 

 那么，这两种方式的优缺点分别是什么呢？

首先，纵向扩展的好处是，实施起来简单、直接。不过，这个方案也面临两个潜在的问题。

第一个问题是，当使用 RDB 对数据进行持久化时，如果数据量增加，需要的内存也会增加，主线程 fork 子进程时就可能会阻塞（比如刚刚的例子中的情况）。不过，如果你不要求持久化保存 Redis 数据，那么，纵向扩展会是一个不错的选择。

不过，这时，你还要面对第二个问题：纵向扩展会受到硬件和成本的限制。这很容易理解，毕竟，把内存从 32GB 扩展到 64GB 还算容易，但是，要想扩充到 1TB，就会面临硬件容量和成本上的限制了。

与纵向扩展相比，横向扩展是一个扩展性更好的方案。这是因为，要想保存更多的数据，采用这种方案的话，只用增加 Redis 的实例个数就行了，不用担心单个实例的硬件和成本限制。在面向百万、千万级别的用户规模时，横向扩展的 Redis 切片集群会是一个非常好的选择。

不过，在只使用单个实例的时候，数据存在哪儿，客户端访问哪儿，都是非常明确的，但是，切片集群不可避免地涉及到多个实例的分布式管理问题。要想把切片集群用起来，我们就需要解决两大问题：

　　数据切片后，在多个实例之间如何分布？

　　在切片集群中，数据需要分布在不同实例上，那么，数据和实例之间如何对应呢？这就和接下来我要讲的 Redis Cluster 方案有关了。不过，我们要先弄明白切片集群和 Redis Cluster 的联系与区别。

实际上，切片集群是一种保存大量数据的通用机制，这个机制可以有不同的实现方案。在 Redis 3.0 之前，官方并没有针对切片集群提供具体的方案。从 3.0 开始，官方提供了一个名为 Redis Cluster 的方案，用于实现切片集群。Redis Cluster 方案中就规定了数据和实例的对应规则。

具体来说，Redis Cluster 方案采用哈希槽（Hash Slot，接下来我会直接称之为 Slot），来处理数据和实例之间的映射关系。在 Redis Cluster 方案中，一个切片集群共有 16384 个哈希槽，这些哈希槽类似于数据分区，每个键值对都会根据它的 key，被映射到一个哈希槽中。

具体的映射过程分为两大步：首先根据键值对的 key，按照CRC16 算法计算一个 16 bit 的值；然后，再用这个 16bit 值对 16384 取模，得到 0~16383 范围内的模数，每个模数代表一个相应编号的哈希槽。

那么，这些哈希槽又是如何被映射到具体的 Redis 实例上的呢？

我们在部署 Redis Cluster 方案时，可以使用 cluster create 命令创建集群，此时，Redis 会自动把这些槽平均分布在集群实例上。例如，如果集群中有 N 个实例，那么，每个实例上的槽个数为 16384/N 个。当然， 我们也可以使用 cluster meet 命令手动建立实例间的连接，形成集群，再使用 cluster addslots 命令，指定每个实例上的哈希槽个数。举个例子，假设集群中不同 Redis 实例的内存大小配置不一，如果把哈希槽均分在各个实例上，在保存相同数量的键值对时，和内存大的实例相比，内存小的实例就会有更大的容量压力。遇到这种情况时，你可以根据不同实例的资源配置情况，使用 cluster addslots 命令手动分配哈希槽。

 

 示意图中的切片集群一共有 3 个实例，同时假设有 5 个哈希槽，我们首先可以通过下面的命令手动分配哈希槽：实例 1 保存哈希槽 0 和 1，实例 2 保存哈希槽 2 和 3，实例 3 保存哈希槽 4。

redis-cli -h 172.16.19.3 –p 6379 cluster addslots 0,1
redis-cli -h 172.16.19.4 –p 6379 cluster addslots 2,3
redis-cli -h 172.16.19.5 –p 6379 cluster addslots 4

在集群运行的过程中，key1 和 key2 计算完 CRC16 值后，对哈希槽总个数 5 取模，再根据各自的模数结果，就可以被映射到对应的实例 1 和实例 3 上了。另外，我再给你一个小提醒，在手动分配哈希槽时，需要把 16384 个槽都分配完，否则 Redis 集群无法正常工作。

　　客户端怎么确定想要访问的数据在哪个实例上？

　　在定位键值对数据时，它所处的哈希槽是可以通过计算得到的，这个计算可以在客户端发送请求时来执行。但是，要进一步定位到实例，还需要知道哈希槽分布在哪个实例上。一般来说，客户端和集群实例建立连接后，实例就会把哈希槽的分配信息发给客户端。但是，在集群刚刚创建的时候，每个实例只知道自己被分配了哪些哈希槽，是不知道其他实例拥有的哈希槽信息的。

那么，客户端为什么可以在访问任何一个实例时，都能获得所有的哈希槽信息呢？这是因为，Redis 实例会把自己的哈希槽信息发给和它相连接的其它实例，来完成哈希槽分配信息的扩散。当实例之间相互连接后，每个实例就有所有哈希槽的映射关系了。客户端收到哈希槽信息后，会把哈希槽信息缓存在本地。当客户端请求键值对时，会先计算键所对应的哈希槽，然后就可以给相应的实例发送请求了。

但是，在集群中，实例和哈希槽的对应关系并不是一成不变的，最常见的变化有两个：

　　1.在集群中，实例有新增或删除，Redis 需要重新分配哈希槽；

        2.为了负载均衡，Redis 需要把哈希槽在所有实例上重新分布一遍。

此时，实例之间还可以通过相互传递消息，获得最新的哈希槽分配信息，但是，客户端是无法主动感知这些变化的。这就会导致，它缓存的分配信息和最新的分配信息就不一致了，那该怎么办呢？

Redis Cluster 方案提供了一种重定向机制，所谓的“重定向”，就是指，客户端给一个实例发送数据读写操作时，这个实例上并没有相应的数据，客户端要再给一个新实例发送操作命令。

那客户端又是怎么知道重定向时的新实例的访问地址呢？当客户端把一个键值对的操作请求发给一个实例时，如果这个实例上并没有这个键值对映射的哈希槽，那么，这个实例就会给客户端返回下面的 MOVED 命令响应结果，这个结果中就包含了新实例的访问地址。

GET hello:key
(error) MOVED 13320 172.16.19.5:6379

其中，MOVED 命令表示，客户端请求的键值对所在的哈希槽 13320，实际是在 172.16.19.5 这个实例上。通过返回的 MOVED 命令，就相当于把哈希槽所在的新实例的信息告诉给客户端了。这样一来，客户端就可以直接和 172.16.19.5 连接，并发送操作请求了。

 

 MOVED 重定向命令的使用方法。可以看到，由于负载均衡，Slot 2 中的数据已经从实例 2 迁移到了实例 3，但是，客户端缓存仍然记录着“Slot 2 在实例 2”的信息，所以会给实例 2 发送命令。实例 2 给客户端返回一条 MOVED 命令，把 Slot 2 的最新位置（也就是在实例 3 上），返回给客户端，客户端就会再次向实例 3 发送请求，同时还会更新本地缓存，把 Slot 2 与实例的对应关系更新过来。

需要注意的是，在上图中，当客户端给实例 2 发送命令时，Slot 2 中的数据已经全部迁移到了实例 3。在实际应用时，如果 Slot 2 中的数据比较多，就可能会出现一种情况：客户端向实例 2 发送请求，但此时，Slot 2 中的数据只有一部分迁移到了实例 3，还有部分数据没有迁移。在这种迁移部分完成的情况下，客户端就会收到一条 ASK 报错信息，如下所示：

GET hello:key
(error) ASK 13320 172.16.19.5:6379

这个结果中的 ASK 命令就表示，客户端请求的键值对所在的哈希槽 13320，在 172.16.19.5 这个实例上，但是这个哈希槽正在迁移。此时，客户端需要先给 172.16.19.5 这个实例发送一个 ASKING 命令。这个命令的意思是，让这个实例允许执行客户端接下来发送的命令。然后，客户端再向这个实例发送 GET 命令，以读取数据。

看起来好像有点复杂，我再借助图片来解释一下。

 

 图中，Slot 2 正在从实例 2 往实例 3 迁移，key1 和 key2 已经迁移过去，key3 和 key4 还在实例 2。客户端向实例 2 请求 key2 后，就会收到实例 2 返回的 ASK 命令。ASK 命令表示两层含义：第一，表明 Slot 数据还在迁移中；第二，ASK 命令把客户端所请求数据的最新实例地址返回给客户端，此时，客户端需要给实例 3 发送 ASKING 命令，然后再发送操作命令。

和 MOVED 命令不同，ASK 命令并不会更新客户端缓存的哈希槽分配信息。所以，在上图中，如果客户端再次请求 Slot 2 中的数据，它还是会给实例 2 发送请求。这也就是说，ASK 命令的作用只是让客户端能给新实例发送一次请求，而不像 MOVED 命令那样，会更改本地缓存，让后续所有命令都发往新实例。

Redis Cluster 方案通过哈希槽的方式把键值对分配到不同的实例上，这个过程需要对键值对的 key 做 CRC 计算，然后再和哈希槽做映射，这样做有什么好处吗？如果用一个表直接把键值对和实例的对应关系记录下来（例如键值对 1 在实例 2 上，键值对 2 在实例 1 上），这样就不用计算 key 和哈希槽的对应关系了，只用查表就行了，Redis 为什么不这么做呢？

1、整个集群存储key的数量是无法预估的，key的数量非常多时，直接记录每个key对应的实例映射关系，这个映射表会非常庞大，这个映射表无论是存储在服务端还是客户端都占用了非常大的内存空间。

2、Redis Cluster采用无中心化的模式（无proxy，客户端与服务端直连），客户端在某个节点访问一个key，如果这个key不在这个节点上，这个节点需要有纠正客户端路由到正确节点的能力（MOVED响应），这就需要节点之间互相交换路由表，每个节点拥有整个集群完整的路由关系。如果存储的都是key与实例的对应关系，节点之间交换信息也会变得非常庞大，消耗过多的网络资源，而且就算交换完成，相当于每个节点都需要额外存储其他节点的路由表，内存占用过大造成资源浪费。

3、当集群在扩容、缩容、数据均衡时，节点之间会发生数据迁移，迁移时需要修改每个key的映射关系，维护成本高。

4、而在中间增加一层哈希槽，可以把数据和节点解耦，key通过Hash计算，只需要关心映射到了哪个哈希槽，然后再通过哈希槽和节点的映射表找到节点，相当于消耗了很少的CPU资源，不但让数据分布更均匀，还可以让这个映射表变得很小，利于客户端和服务端保存，节点之间交换信息时也变得轻量。

5、当集群在扩容、缩容、数据均衡时，节点之间的操作例如数据迁移，都以哈希槽为基本单位进行操作，简化了节点扩容、缩容的难度，便于集群的维护和管理。

详解Redis集群原理核心内容

集群原理

一个系统建立集群主要需要解决两个问题：数据同步问题和集群容错问题。

Naive方案

一个简单粗暴的方案是部署多台一模一样的Redis服务，再用负载均衡来分摊压力以及监控服务状态。这种方案的优势在于容错简单，只要有一台存活，整个集群就仍然可用。但是它的问题在于保证这些Redis服务的数据一致时，会导致大量数据同步操作，反而影响性能和稳定性。

Redis集群方案

Redis集群方案基于分而治之的思想。Redis中数据都是以Key-Value形式存储的，而不同Key的数据之间是相互独立的。因此可以将Key按照某种规则划分成多个分区，将不同分区的数据存放在不同的节点上。这个方案类似数据结构中哈希表的结构。在Redis集群的实现中，使用哈希算法（公式是CRC16(Key) mod 16383）将Key映射到0~16383范围的整数。这样每个整数对应存储了若干个Key-Value数据，这样一个整数对应的抽象存储称为一个槽（slot）。每个Redis Cluster的节点——准确讲是master节点——负责一定范围的槽，所有节点组成的集群覆盖了0~16383整个范围的槽。

据说任何计算机问题都可以通过增加一个中间层来解决。槽的概念也是这么一层。它介于数据和节点之间，简化了扩容和收缩操作的难度。数据和槽的映射关系由固定算法完成，不需要维护，节点只需维护自身和槽的映射关系。

Slave

上面的方案只是解决了性能扩展的问题，集群的故障容错能力并没有提升。提高容错能力的方法一般为使用某种备份/冗余手段。负责一定数量的槽的节点被称为master节点。为了增加集群稳定性，每个master节点可以配置若干个备份节点——称为slave节点。Slave节点一般作为冷备份保存master节点的数据，在master节点宕机时替换master节点。在一些数据访问压力比较大的情况下，slave节点也可以提供读取数据的功能，不过slave节点的数据实时性会略差一下。而写数据的操作则只能通过master节点进行。

请求重定向

当Redis节点接收到对某个key的命令时，如果这个key对应的槽不在自己的负责范围内，则返回MOVED重定向错误，通知客户端到正确的节点去访问数据。

节点通信

尽管不同节点存储的数据相互独立，这些节点仍然需要相互通信以同步节点状态信息。Redis集群采用P2P的Gossip协议，节点之间不断地通信交换信息，最终所有节点的状态都会达成一致。常用的Gossip消息有下面几种：

• ping消息：每个节点不断地向其他节点发起ping消息，用于检测节点是否在线和交换节点状态信息。

• pong消息：收到ping、meet消息时的响应消息。

• meet消息：新节点加入消息。

• fail消息：节点下线消息。

• forget消息：忘记节点消息，使一个节点下线。这个命令必须在60秒内在所有节点执行，否则超过60秒后该节点重新参与消息交换。实践中不建议直接使用forget命令来操作节点下线。

节点下线

当某个节点出现问题时，需要一定的传播时间让多数master节点认为该节点确实不可用，才能标记标记该节点真正下线。Redis集群的节点下线包括两个环节：主观下线（pfail）和客观下线（fail）。

• 主观下线：当节点A在cluster-node-timeout时间内和节点B通信（ping-pong消息）一直失败，则节点A认为节点B不可用，标记为主观下线，并将状态消息传播给其他节点。

• 客观下线：当一个节点被集群内多数master节点标记为主观下线后，则触发客观下线流程，标记该节点真正下线。

故障恢复

一个持有槽的master节点客观下线后，集群会从slave节点中选出一个提升为master节点来替换它。Redis集群使用选举-投票的算法来挑选slave节点。一个slave节点必须获得包括故障的master节点在内的多数master节点的投票后才能被提升为master节点。假设集群规模为3主3从，则必须至少有2个主节点存活才能执行故障恢复。如果部署时将2个主节点部署到同一台服务器上，则该服务器不幸宕机后集群无法执行故障恢复。

默认情况下，Redis集群如果有master节点不可用，即有一些槽没有负责的节点，则整个集群不可用。也就是说当一个master节点故障，到故障恢复的这段时间，整个集群都处于不可用的状态。这对于一些业务来说是不可忍受的。可以在配置中将cluster-require-full-coverage配置为no，那么master节点故障时只会影响访问它负责的相关槽的数据，不影响对其他节点的访问。

搭建集群

启动新节点

修改Redis配置文件以启动集群模式：

# 开启集群模式cluster-enabled yes# 节点超时时间，单位毫秒cluster-node-timeout 15000# 集群节点信息文件cluster-config-file "nodes-6379.conf"

然后启动新节点。

发送meet消息将节点组成集群

使用客户端发起命令cluster <ip> <port>，节点会发送meet消息将指定IP和端口的新节点加入集群。

分配槽

上一步执行完后我们得到的是一个还没有负责任何槽的“空”集群。为了使集群可用，我们需要将16384个槽都分配到master节点数。

在客户端执行cluster add addslots {<a>...<b>}命令，将<a>~<b>范围的槽都分配给当前客户端所连接的节点。将所有的槽都分配给master节点后，执行cluster nodes命令，查看各个节点负责的槽，以及节点的ID。

接下来还需要分配slave节点。使用客户端连接待分配的slave节点，执行cluster replicate <nodeId>命令，将该节点分配为<nodeId>指定的master节点的备份。

使用命令直接创建集群

在Redis 5版本中redis-cli客户端新增了集群操作命令。

如下所示，直接使用命令创建一个3主3从的集群：

redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 \127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005 \--cluster-replicas 1

如果你用的是旧版本的Redis，可以使用官方提供的redis-trib.rb脚本来创建集群:

./redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 \127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005

集群伸缩

扩容

扩容操作与创建集群操作类似，不同的在于最后一步是将槽从已有的节点迁移到新节点。

1. 启动新节点：同创建集群。

2. 将新节点加入到集群：使用redis-cli --cluster add-node命令将新节点加入集群（内部使用meet消息实现）。

3. 迁移槽和数据：添加新节点后，需要将一些槽和数据从旧节点迁移到新节点。使用命令redis-cli --cluster reshard进行槽迁移操作。

收缩

为了安全删除节点，Redis集群只能下线没有负责槽的节点。因此如果要下线有负责槽的master节点，则需要先将它负责的槽迁移到其他节点。

1. 迁移槽。使用命令redis-cli --cluster reshard将待删除节点的槽都迁移到其他节点。

2. 忘记节点。使用命令redis-cli --cluster del-node删除节点（内部使用forget消息实现）。

集群配置工具

如果你的redis-cli版本低于5，那么可以使用redis-trib.rb脚本来完成上面的命令。点击这里查看redis-cli和redis-trib.rb操作集群的命令。

持久化

Redis有RDB和AOF两种持久化策略。

一个RDB持久化的坑

RDB持久化神坑：

• 即使设置了save ""试图关闭RDB，然而RDB持久化仍然有可能会触发。

• 从节点全量复制（比如新增从节点时），主节点触发RDB持久化产生RDB文件。然后发送RDB文件给从节点。最后该从节点和对应的主节点都会有RDB文件。

• 执行shutdown时，如果没有开启AOF，也会触发RDB持久化。

• 不管save如何设置，只要RDB文件存在，redis启动时就会去加载该文件。

后果：

• 如果关闭了RDB持久化（以及AOF持久化），那么当Redis重启时，则会加载上一次从节点全量复制或者执行shutdown时保存的RDB文件。而这个RDB文件很可能是一份过时已久的数据。

• Cluster模式下，Redis重启并从RDB文件恢复数据后，如果没有读取到cluster-config-file中nodes的配置，则标记自己为单独的master并占用从RDB中恢复的数据的Key对应的槽，导致此节点无法再加入其它集群。