Redis进阶实战来了！论Redis的集群应用，你还不懂的都在这里

前言

之前咱们一直在更新Redis相关内容，从基本架构到原理实现。今天，咱们继续更新——Redis的集群搭建，由浅及深的吃透Redis。

Redis 集群提供了一种运行 Redis 的方式，其中数据在多个 Redis 节点间自动分区。Redis 集群还在分区期间提供一定程度的可用性，即在实际情况下能够在某些节点发生故障或无法通信时继续运行。但是，如果发生较大故障（例如，大多数主站不可用时），集群会停止运行。

集群 1：李代桃僵 —— Sentinel

上文我们提到，发生重大故障后，集群会停止运行，所以我们必须有一个高可用方案来抵抗节点故障，当故障发生时可以自动进行从主切换，程序可以不用重启，运维可以继续睡大觉，仿佛什么事也没发生一样。Redis 官方提供了这样一种方案 —— Redis Sentinel(哨兵)。

我们可以将 Redis Sentinel 集群看成是一个 ZooKeeper 集群，它是集群高可用的心脏， 它一般是由 3～5 个节点组成，这样挂了个别节点集群还可以正常运转。 它负责持续监控主从节点的健康，当主节点挂掉时，自动选择一个最优的从节点切换为 主节点。客户端来连接集群时，会首先连接 sentinel，通过 sentinel 来查询主节点的地址， 然后再去连接主节点进行数据交互。当主节点发生故障时，客户端会重新向 sentinel 要地 址，sentinel 会将最新的主节点地址告诉客户端。如此应用程序将无需重启即可自动完成节点切换。比如上图的主节点挂掉后，集群将可能自动调整为下图所示结构。

从这张图中我们能看到主节点挂掉了，原先的主从复制也断开了，客户端和损坏的主节 点也断开了。从节点被提升为新的主节点，其它从节点开始和新的主节点建立复制关系。客户端通过新的主节点继续进行交互。Sentinel 会持续监控已经挂掉了主节点，待它恢复后， 集群会调整为下面这张图。

此时原先挂掉的主节点现在变成了从节点，从新的主节点那里建立复制关系。

消息丢失

Redis 主从采用异步复制，意味着当主节点挂掉时，从节点可能没有收到全部的同步消 息，这部分未同步的消息就丢失了。如果主从延迟特别大，那么丢失的数据就可能会特别多。Sentinel 无法保证消息完全不丢失，但是也尽可能保证消息少丢失。它有两个选项可以限制主从延迟过大。

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

第一个参数表示主节点必须至少有一个从节点在进行正常复制，否则就停止对外写服 务，丧失可用性。

何为正常复制，何为异常复制？这个就是由第二个参数控制的，它的单位是秒，表示如 果 10s 没有收到从节点的反馈，就意味着从节点同步不正常，要么网络断开了，要么一直没有给反馈。

Sentinel 基本使用

接下来我们看看客户端如何使用 sentinel，标准的流程应该是客户端可以通过 sentinel 发现主从节点的地址，然后在通过这些地址建立相应的连接来进行数据存取操作。我们来看看 Python 客户端是如何做的。

>>> from redis.sentinel import Sentinel
>>> sentinel = Sentinel([('localhost', 26379)], socket_timeout=0.1)
>>> sentinel.discover_master('mymaster')
('127.0.0.1', 6379)
>>> sentinel.discover_slaves('mymaster')
[('127.0.0.1', 6380)]

sentinel 的默认端口是 26379，不同于 Redis 的默认端口 6379，通过 sentinel 对象的 discover_xxx 方法可以发现主从地址，主地址只有一个，从地址可以有多个。

>>> master = sentinel.master_for('mymaster', socket_timeout=0.1)
>>> slave = sentinel.slave_for('mymaster', socket_timeout=0.1)
>>> master.set('foo', 'bar')
>>> slave.get('foo')
'bar'

通过 xxx_for 方法可以从连接池中拿出一个连接来使用，因为从地址有多个，redis 客户端对从地址采用轮询方案，也就是 RoundRobin 轮着来。

有个问题是，但 sentinel 进行主从切换时，客户端如何知道地址变更了 ？ 通过分析源码，我发现 redis-py 在建立连接的时候进行了主库地址变更判断。

连接池建立新连接时，会去查询主库地址，然后跟内存中的主库地址进行比对，如果变更了，就断开所有连接，重新使用新地址建立新连接。如果是旧的主库挂掉了，那么所有正在使用的连接都会被关闭，然后在重连时就会用上新地址。

但是这样还不够，如果是 sentinel 主动进行主从切换，主库并没有挂掉，而之前的主库连接已经建立了在使用了，没有新连接需要建立，那这个连接是不是一直切换不了？

继续深入研究源码，我发现 redis-py 在另外一个点也做了控制。那就是在处理命令的时 候捕获了一个特殊的异常 ReadOnlyError，在这个异常里将所有的旧连接全部关闭了，后续指令就会进行重连。

主从切换后，之前的主库被降级到从库，所有的修改性的指令都会抛出 ReadonlyError。 如果没有修改性指令，虽然连接不会得到切换，但是数据不会被破坏，所以即使不切换也没关系。

集群 2：分而治之 —— Codis

在大数据高并发场景下，单个 Redis 实例往往会显得捉襟见肘。首先体现在内存上，单个 Redis 的内存不宜过大，内存太大会导致 rdb 文件过大，进一步导致主从同步时全量同步时间过长，在实例重启恢复时也会消耗很长的数据加载时间，特别是在云环境下，单个实例内存往往都是受限的。其次体现在 CPU 的利用率上，单个 Redis 实例只能利用单个核心，这单个核心要完成海量数据的存取和管理工作压力会非常大。

正是在这样的大数据高并发的需求之下，Redis 集群方案应运而生。它可以将众多小内 存的 Redis 实例综合起来，将分布在多台机器上的众多 CPU 核心的计算能力聚集到一起， 完成海量数据存储和高并发读写操作。

Codis 是 Redis 集群方案之一，令我们感到骄傲的是，它是中国人开发并开源的，来自前豌豆荚中间件团队。绝大多数国内的开源项目都不怎么靠谱，但是 Codis 非常靠谱。

从 Redis 的广泛流行到 RedisCluster 的广泛使用之间相隔了好多年，Codis 就是在这样的市场空缺的机遇下发展出来的。大型公司有明确的 Redis 在线扩容需求，但是市面上没有特别好的中间件可以做到这一点。

Codis 使用 Go 语言开发，它是一个代理中间件，它和 Redis 一样也使用 Redis 协议 对外提供服务，当客户端向 Codis 发送指令时，Codis 负责将指令转发到后面的 Redis 实例来执行，并将返回结果再转回给客户端。

Codis 上挂接的所有 Redis 实例构成一个 Redis 集群，当集群空间不足时，可以通过动态增加 Redis 实例来实现扩容需求。

客户端操纵 Codis 同操纵 Redis 几乎没有区别，还是可以使用相同的客户端 SDK，不需要任何变化。

因为 Codis 是无状态的，它只是一个转发代理中间件，这意味着我们可以启动多个 Codis 实例，供客户端使用，每个 Codis 节点都是对等的。因为单个 Codis 代理能支撑的 QPS 比较有限，通过启动多个 Codis 代理可以显著增加整体的 QPS 需求，还能起到容灾功 能，挂掉一个 Codis 代理没关系，还有很多 Codis 代理可以继续服务。

Codis 分片原理

Codis 要负责将特定的 key 转发到特定的 Redis 实例，那么这种对应关系 Codis 是如 何管理的呢？ Codis 将所有的 key 默认划分为 1024 个槽位(slot)，它首先对客户端传过来的 key 进行 crc32 运算计算哈希值，再将 hash 后的整数值对 1024 这个整数进行取模得到一个余 数，这个余数就是对应 key 的槽位。

每个槽位都会唯一映射到后面的多个 Redis 实例之一，Codis 会在内存维护槽位和 Redis 实例的映射关系。这样有了上面 key 对应的槽位，那么它应该转发到哪个 Redis 实例就很明确了。

hash = crc32(command.key)
slot_index = hash % 1024
redis = slots[slot_index].redis
redis.do(command)

槽位数量默认是 1024，它是可以配置的，如果集群节点比较多，建议将这个数值配置大一些，比如 2048、4096。

不同的 Codis 实例之间槽位关系如何同步？

如果 Codis 的槽位映射关系只存储在内存里，那么不同的 Codis 实例之间的槽位关系就无法得到同步。所以 Codis 还需要一个分布式配置存储数据库专门用来持久化槽位关系。 Codis 开始使用 ZooKeeper，后来连 etcd 也一块支持了。

Codis 将槽位关系存储在 zk 中，并且提供了一个 Dashboard 可以用来观察和修改槽位 关系，当槽位关系变化时，Codis Proxy 会监听到变化并重新同步槽位关系，从而实现多个 Codis Proxy 之间共享相同的槽位关系配置。

扩容

刚开始 Codis 后端只有一个 Redis 实例，1024 个槽位全部指向同一个 Redis。然后一 个 Redis 实例内存不够了，所以又加了一个 Redis 实例。这时候需要对槽位关系进行调整， 将一半的槽位划分到新的节点。这意味着需要对这一半的槽位对应的所有 key 进行迁移，迁 移到新的 Redis 实例。

那 Codis 如果找到槽位对应的所有 key 呢？

Codis 对 Redis 进行了改造，增加了 SLOTSSCAN 指令，可以遍历指定 slot 下所有的 key。Codis 通过 SLOTSSCAN 扫描出待迁移槽位的所有的 key，然后挨个迁移每个 key 到新的 Redis 节点。

在迁移过程中，Codis 还是会接收到新的请求打在当前正在迁移的槽位上，因为当前槽 位的数据同时存在于新旧两个槽位中，Codis 如何判断该将请求转发到后面的哪个具体实例呢？

Codis 无法判定迁移过程中的 key 究竟在哪个实例中，所以它采用了另一种完全不同的思路。当 Codis 接收到位于正在迁移槽位中的 key 后，会立即强制对当前的单个 key 进行迁移，迁移完成后，再将请求转发到新的 Redis 实例。

slot_index = crc32(command.key) % 1024
if slot_index in migrating_slots:
do_migrate_key(command.key) # 强制执行迁移
redis = slots[slot_index].new_redis
else:
redis = slots[slot_index].redis
redis.do(command)

我们知道 Redis 支持的所有 Scan 指令都是无法避免重复的，同样 Codis 自定义的 SLOTSSCAN 也是一样，但是这并不会影响迁移。因为单个 key 被迁移一次后，在旧实例中它就彻底被删除了，也就不可能会再次被扫描出来了。

自动均衡

Redis 新增实例，手工均衡 slots 太繁琐，所以 Codis 提供了自动均衡功能。自动均衡会在系统比较空闲的时候观察每个 Redis 实例对应的 Slots 数量，如果不平衡，就会自动进行迁移。

Codis 的代价

Codis 给 Redis 带来了扩容的同时，也损失了其它一些特性。因为 Codis 中所有的 key 分散在不同的 Redis 实例中，所以事务就不能再支持了，事务只能在单个 Redis 实例中完成。同样 rename 操作也很危险，它的参数是两个 key，如果这两个 key 在不同的 Redis 实例中，rename 操作是无法正确完成的。Codis 的官方文档中给出了一系列不支持的命令列 表。

同样为了支持扩容，单个 key 对应的 value 不宜过大，因为集群的迁移的最小单位是 key，对于一个 hash 结构，它会一次性使用 hgetall 拉取所有的内容，然后使用 hmset 放置 到另一个节点。如果 hash 内部的 kv 太多，可能会带来迁移卡顿。官方建议单个集合结构 的总字节容量不要超过 1M。如果我们要放置社交关系数据，例如粉丝列表这种，就需要注意了，可以考虑分桶存储，在业务上作折中。

Codis 因为增加了 Proxy 作为中转层，所有在网络开销上要比单个 Redis 大，毕竟数据 包多走了一个网络节点，整体在性能上要比单个 Redis 的性能有所下降。但是这部分性能损 耗不是太明显，可以通过增加 Proxy 的数量来弥补性能上的不足。

Codis 的集群配置中心使用 zk 来实现，意味着在部署上增加了 zk 运维的代价，不过大部分互联网企业内部都有 zk 集群，可以使用现有的 zk 集群使用即可。

Codis 的优点

Codis 在设计上相比 Redis Cluster 官方集群方案要简单很多，因为它将分布式的问题交 给了第三方 zk/etcd 去负责，自己就省去了复杂的分布式一致性代码的编写维护工作。而 Redis Cluster 的内部实现非常复杂，它为了实现去中心化，混合使用了复杂的 Raft 和 Gossip 协议，还有大量的需要调优的配置参数，当集群出现故障时，维护人员往往不知道从 何处着手。

MGET 指令的操作过程

mget 指令用于批量获取多个 key 的值，这些 key 可能会分布在多个 Redis 实例中。 Codis 的策略是将 key 按照所分配的实例打散分组，然后依次对每个实例调用 mget 方法， 最后将结果汇总为一个，再返回给客户端。

架构变迁

Codis 作为非官方 Redis 集群方案，近几年来它的结构一直在不断变化，一方面当官方 的 Redis 有变化的时候它要实时去跟进，另一方面它作为 Redis Cluster 的竞争方案之一， 它还得持续提高自己的竞争力，给自己增加更多的官方集群所没有的便捷功能。 比如 Codis 有个特色的地方在于强大的 Dashboard 功能，能够便捷地对 Redis 集群进 行管理。这是 Redis 官方所欠缺的。另外 Codis 还开发了一个 Codis-fe(federation 联邦) 工 具，可以同时对多个 Codis 集群进行管理。在大型企业，Codis 集群往往会有几十个，有这 样一个便捷的联邦工具可以降低不少运维成本。

Codis 不是 Redis 官方项目，这意味着它的命运会无比曲折，它总是要被官方 Redis 牵 着牛鼻子走。当 Redis 官方提供了什么功能它欠缺时，Codis 就会感到恐惧，害怕自己被市 场甩掉，所以必须实时保持跟进。

同时因为 Codis 总是要比 Redis 官方慢一拍，Redis 官方提供的最新功能，Codis 往往 要等很久才能同步。比如现在 Redis 已经进入到 4.0 阶段，提供了插件化 Redis-Module 支 持，目前 Codis 还没有提供解决方案。

现在 Redis-Cluster 在业界已经逐渐流行起来，Codis 能否持续保持竞争力是个问题，我们看到 Codis 在不断的差异化竞争，竞争的方法就体现在工具上，而不是内核，这个和官方的路线真是相反的，官方对工具无暇顾及，只提供基本的工具，其它完全交给第三方去开发。

以上就是小编整理的Redis集群介绍，有写的不准确的地方，还请各位大佬多多批评指出，咱们共同进步。

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