分布式缓存
基于Redis集群解决单机Redis存在的问题
单机的Redis存在四大问题
一、redis持久化
- RDB持久化 - AOF持久化
1.1RDB持久化
RDB全称Redis Database Backup file（Redis数据备份文件），也被叫做Redis数据快照。简单来说就是把内存中的所有数据都记录到磁盘中。当Redis实例故障重启后，从磁盘读取快照文件，恢复数据。
快照文件称为RDB文件，默认是保存在当前运行目录。
Redis停机时会执行一次RDB。
1.执行时机--4种情况下
RDB持久化在四种情况下会执行： - 执行save命令 - 执行bgsave命令 - Redis停机时 - 触发RDB条件时
1）save命令 执行下面的命令，可以立即执行一次RDB： save命令会导致主进程执行RDB，这个过程中其它所有命令都会被阻塞。只有在数据迁移时可能用到。 2）bgsave命令 下面的命令可以异步执行RDB： 这个命令执行后会开启独立进程完成RDB，主进程可以持续处理用户请求，不受影响。 3）停机时 Redis停机时会执行一次save命令，实现RDB持久化。 4）触发RDB条件 Redis内部有触发RDB的机制，可以在redis.conf文件中找到，格式如下： # 900秒内，如果至少有1个key被修改，则执行bgsave ， 如果是save "" 则表示禁用RDB save 900 1 save 300 10 save 60 10000
2.单机安装Redis
首先需要安装Redis所需要的依赖：
yum install -y gcc tcl
然后将下载好的Redis安装包上传到虚拟机的任意目录：
例如，我放到了/tmp目录：
解压缩：
tar -xzf redis-6.2.4.tar.gz
解压后：
进入redis目录：
cd redis-6.2.4
运行编译命令：
make && make install
如果没有出错，应该就安装成功了。
然后修改redis.conf文件中的一些配置：
# 绑定地址，默认是127.0.0.1，会导致只能在本地访问。修改为0.0.0.0则可以在任意IP访问
bind 0.0.0.0
# 保护模式，关闭保护模式
protected-mode no
# 数据库数量，设置为1
databases 1
启动Redis：
redis-server redis.conf
停止redis服务：
redis-cli shutdown
Redis内部有触发RDB的机制，可以在redis.conf文件中找到，格式如下：
RDB的其它配置也可以在redis.conf文件中设置：
3.RDB原理
bgsave开始时会fork主进程得到子进程，子进程共享主进程的内存数据。完成fork后读取内存数据并写入 RDB 文件。
fork采用的是copy-on-write技术：
- 当主进程执行读操作时，访问共享内存；
- 当主进程执行写操作时，则会拷贝一份数据，执行写操作。
4.总结：
RDB方式bgsave的基本流程？
- fork主进程得到一个子进程，共享内存空间
- 子进程读取内存数据并写入新的RDB文件
- 用新RDB文件替换旧的RDB文件。
RDB会在什么时候执行？save 60 1000代表什么含义？
- 默认是服务停止时。
- 代表60秒内至少执行1000次修改则触发RDB
RDB的缺点？
- RDB执行间隔时间长，两次RDB之间写入数据有丢失的风险
- fork子进程、压缩、写出RDB文件都比较耗时
1.2AOF持久化
AOF全称为Append Only File（追加文件）。Redis处理的每一个写命令都会记录在AOF文件，可以看做是命令日志文件。
AOF默认是关闭的，需要修改redis.conf配置文件来开启AOF：
AOF的命令记录的频率也可以通过redis.conf文件来配：
因为是记录命令，AOF文件会比RDB文件大的多。而且AOF会记录对同一个key的多次写操作，但只有最后一次写操作才有意义。通过执行bgrewriteaof命令，可以让AOF文件执行重写功能，用最少的命令达到相同效果。
Redis也会在触发阈值时自动去重写AOF文件。阈值也可以在redis.conf中配置：
# AOF文件比上次文件 增长超过多少百分比则触发重写
auto-aof-rewrite-percentage 100
# AOF文件体积最小多大以上才触发重写
auto-aof-rewrite-min-size 64mb
1.3RDB和AOF的差异
RDB和AOF各有自己的优缺点，如果对数据安全性要求较高，在实际开发中往往会结合两者来使用。
二、Redis主从
2.1搭建主从架构
单节点Redis的并发能力是有上限的，要进一步提高Redis的并发能力，就需要搭建主从集群，实现读写分离。
Redis主从集群搭建：
2.1.我们搭建的主从集群结构如图：
共包含三个节点，一个主节点，两个从节点。
这里我们会在同一台虚拟机中开启3个redis实例，模拟主从集群，信息如下：
2.2准备实例和配置
要在同一台虚拟机开启3个实例，必须准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录也就是工作目录。
1）创建目录
我们创建三个文件夹，名字分别叫7001、7002、7003：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003
如图：
2）恢复原始配置 修改redis-6.2.4/redis.conf文件，将其中的持久化模式改为默认的RDB模式，AOF保持关闭状态。
# 开启RDB
# save ""
save 3600 1
save 300 100
save 60 10000
# 关闭AOF
appendonly no
3）拷贝配置文件到每个实例目录
然后将redis-6.2.4/redis.conf文件拷贝到三个目录中（在/tmp目录执行下列命令）：
# 方式一：逐个拷贝
cp redis-6.2.4/redis.conf 7001
cp redis-6.2.4/redis.conf 7002
cp redis-6.2.4/redis.conf 7003
# 方式二：管道组合命令，一键拷贝 echo 7001 7002 7003 | xargs -t -n 1 cp redis-6.2.4/redis.conf 4）修改每个实例的端口、工作目录
修改每个文件夹内的配置文件，将端口分别修改为7001、7002、7003，将rdb文件保存位置都修改为自己所在 目录（在/tmp目录执行下列命令）：
sed -i -e 's/6379/7001/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7001\//g' 7001/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7002/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7002\//g' 7002/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7003/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7003\//g' 7003/redis.conf
5）修改每个实例的声明IP
虚拟机本身有多个IP，为了避免将来混乱，我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息，格式如 下：
# redis实例的声明 IP
replica-announce-ip 192.168.150.101
每个目录都要改，我们一键完成修改（在/tmp目录执行下列命令）：
# 逐一执行
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7001/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7002/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7003/redis.conf
# 或者一键修改
printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' {}/redis.conf
2.3.启动
为了方便查看日志，我们打开3个ssh窗口，分别启动3个redis实例，启动命令：
# 第1个
redis-server 7001/redis.conf
# 第2个
redis-server 7002/redis.conf
# 第3个
redis-server 7003/redis.conf
启动后：
如果要一键停止，可以运行下面命令：
printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown
2.4.开启主从关系
现在三个实例还没有任何关系，要配置主从可以使用replicaof 或者slaveof（5.0以前）命令。
有临时和永久两种模式：
修改配置文件（永久生效） 在redis.conf中添加一行配置：slaveof <masterip> <masterport>
使用redis-cli客户端连接到redis服务，执行slaveof命令（重启后失效）：
slaveof <masterip> <masterport>
注意：在5.0以后新增命令replicaof，与salveof效果一致。
这里我们为了演示方便，使用方式二。
通过redis-cli命令连接7002，执行下面命令：
# 连接 7002
redis-cli -p 7002
# 执行slaveof
slaveof 192.168.150.101 7001
通过redis-cli命令连接7003，执行下面命令：
# 连接 7003
redis-cli -p 7003
# 执行slaveof
slaveof 192.168.150.101 7001
然后连接 7001节点，查看集群状态：
# 连接 7001
redis-cli -p 7001
# 查看状态
info replication
结果：
2.5.测试
执行下列操作以测试：
- 利用redis-cli连接7001，执行set num 123
- 利用redis-cli连接7002，执行get num，再执行set num 666
- 利用redis-cli连接7003，执行get num，再执行set num 888
可以发现，只有在7001这个master节点上可以执行写操作，7002和7003这两个slave节点只能执行读操作。
总结：
假设有A、B两个Redis实例，如何让B作为A的slave节点？
- 在B节点执行命令：slaveof A的IP A的port
2.2主从数据同步原理
数据同步原理
主从第一次同步是全量同步：
master如何判断slave是不是第一次来同步数据？这里会用到两个很重要的概念：
- Replication Id：简称replid，是数据集的标记，id一致则说明是同一数据集。每一个master都有唯一的replid，slave则会继承master节点的replid
- offset：偏移量，随着记录在repl_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步时也会记录当前同步的offset。如果slave的offset小于master的offset，说明slave数据落后于master，需要更新。 因此slave做数据同步，必须向master声明自己的replication id 和offset，master才可以判断到底需要同步哪些数据
思考一下：
master如何判断slave节点是不是第一次来做数据同步？
主从第一次同步是全量同步
总结：
简述全量同步的流程？
- slave节点请求增量同步
- master节点判断replid，发现不一致，拒绝增量同步
- master将完整内存数据生成RDB，发送RDB到slave
- slave清空本地数据，加载master的RDB
- master将RDB期间的命令记录在repl_baklog，并持续将log中的命令发送给slave
- slave执行接收到的命令，保持与master之间的同步
主从第一次同步是全量同步
主从第一次同步是全量同步，但如果slave重启后同步，则执行增量同步
注意：
repl_baklog大小有上限，写满后会覆盖最早的数据。如果slave断开时间过久，导致尚未备份的数据被覆盖，则无法基于log做增量同步，只能再次全量同步。
可以从以下几个方面来优化Redis主从就集群：
- 在master中配置repl-diskless-sync yes启用无磁盘复制，避免全量同步时的磁盘IO。
- Redis单节点上的内存占用不要太大，减少RDB导致的过多磁盘IO
- 适当提高repl_baklog的大小，发现slave宕机时尽快实现故障恢复，尽可能避免全量同步
- 限制一个master上的slave节点数量，如果实在是太多slave，则可以采用主-从-从链式结构，减少master压力
总结：
简述全量同步和增量同步区别？
- 全量同步：master将完整内存数据生成RDB，发送RDB到slave。后续命令则记录在repl_baklog，逐个发送给slave。
- 增量同步：slave提交自己的offset到master，master获取repl_baklog中从offset之后的命令给slave
什么时候执行全量同步？
- slave节点第一次连接master节点时 slave节点断开时间太久，repl_baklog中的offset已经被覆盖时
什么时候执行增量同步？
- slave节点断开又恢复，并且在repl_baklog中能找到offset时
思考：
slave节点宕机恢复后可以找master节点同步数据，那master节点宕机怎么办？
三、Redis哨兵
3.1哨兵的作用和原理
哨兵的作用
Redis提供了哨兵（Sentinel）机制来实现主从集群的自动故障恢复。哨兵的结构和作用如下：
- 监控：Sentinel 会不断检查您的master和slave是否按预期工作
- 自动故障恢复：如果master故障，Sentinel会将一个slave提升为master。当故障实例恢复后也以新的master为主
- 通知：Sentinel充当Redis客户端的服务发现来源，当集群发生故障转移时，会将最新信息推送给Redis的客户端
服务状态监控
Sentinel基于心跳机制监测服务状态，每隔1秒向集群的每个实例发送ping命令：
- 主观下线：如果某sentinel节点发现某实例未在规定时间响应，则认为该实例主观下线。
- 客观下线：若超过指定数量（quorum）的sentinel都认为该实例主观下线，则该实例客观下线。quorum值最好超过Sentinel实例数量的一半。
选举新的master
一旦发现master故障，sentinel需要在salve中选择一个作为新的master，选择依据是这样的：
- 首先会判断slave节点与master节点断开时间长短，如果超过指定值（down-after-milliseconds * 10）则会排除该slave节点
- 然后判断slave节点的slave-priority值，越小优先级越高，如果是0则永不参与选举
- 如果slave-prority一样，则判断slave节点的offset值，越大说明数据越新，优先级越高
- 最后是判断slave节点的运行id大小，越小优先级越高。
如何实现故障转移
当选中了其中一个slave为新的master后（例如slave1），故障的转移的步骤如下：
- sentinel给备选的slave1节点发送slaveof no one命令，让该节点成为master
- sentinel给所有其它slave发送slaveof 192.168.150.101 7002 命令，让这些slave成为新master的从节点，开始从新的master上同步数据。
- 最后，sentinel将故障节点标记为slave，当故障节点恢复后会自动成为新的master的slave节点
总结：
Sentinel的三个作用是什么？
- 监控
- 故障转移
- 通知
Sentinel如何判断一个redis实例是否健康？
- 每隔1秒发送一次ping命令，如果超过一定时间没有相向则认为是主观下线
- 如果大多数sentinel都认为实例主观下线，则判定服务下线
故障转移步骤有哪些？
- 首先选定一个slave作为新的master，执行slaveof no one
- 然后让所有节点都执行slaveof 新master
- 修改故障节点，执行slaveof 新master
3.2搭建哨兵集群
1.集群结构
这里我们搭建一个三节点形成的Sentinel集群，来监管之前的Redis主从集群。如图：
三个sentinel实例信息如下：
2.准备实例和配置
要在同一台虚拟机开启3个实例，必须准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录也就是工作目录。
我们创建三个文件夹，名字分别叫s1、s2、s3：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建目录
mkdir s1 s2 s3
如图：
然后我们在s1目录创建一个sentinel.conf文件，添加下面的内容：
port 27001
sentinel announce-ip 192.168.150.101
sentinel monitor mymaster 192.168.150.101 7001 2
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
sentinel failover-timeout mymaster 60000
dir "/tmp/s1"
解读：
- port 27001：是当前sentinel实例的端口
- sentinel monitor mymaster 192.168.150.101 7001 2：指定主节点信息
mymaster：主节点名称，自定义，任意写
192.168.150.101 7001：主节点的ip和端口
2：选举master时的quorum值
然后将s1/sentinel.conf文件拷贝到s2、s3两个目录中（在/tmp目录执行下列命令）：
# 方式一：逐个拷贝
cp s1/sentinel.conf s2
cp s1/sentinel.conf s3
# 方式二：管道组合命令，一键拷贝
echo s2 s3 | xargs -t -n 1 cp s1/sentinel.conf
修改s2、s3两个文件夹内的配置文件，将端口分别修改为27002、27003：
sed -i -e 's/27001/27002/g' -e 's/s1/s2/g' s2/sentinel.conf
sed -i -e 's/27001/27003/g' -e 's/s1/s3/g' s3/sentinel.conf
3.3.启动 Redis集群
为了方便查看日志，我们打开3个ssh窗口，分别启动3个redis实例，启动命令：
# 第1个
redis-sentinel s1/sentinel.conf
# 第2个
redis-sentinel s2/sentinel.conf
# 第3个
redis-sentinel s3/sentinel.conf
启动后：
3.4.测试
尝试让master节点7001宕机，查看sentinel日志：
查看7003的日志：
查看7002的日志：
3.3RedisTemplate的哨兵模式
RedisTemplate的哨兵模式
在Sentinel集群监管下的Redis主从集群，其节点会因为自动故障转移而发生变化，Redis的客户端必须感知这种变化，及时更新连接信息。Spring的RedisTemplate底层利用lettuce实现了节点的感知和自动切换。
首先，我们引入课前资料提供的Demo工程：
1.在pom文件中引入redis的starter依赖：
2.然后在配置文件application.yml中指定sentinel相关信息：
3.配置主从读写分离
这里的ReadFrom是配置Redis的读取策略，是一个枚举，包括下面选择：
- MASTER：从主节点读取
- MASTER_PREFERRED：优先从master节点读取，master不可用才读取replica
- REPLICA：从slave（replica）节点读取
- REPLICA _PREFERRED：优先从slave（replica）节点读取，所有的slave都不可用才读取master
四、Redis分片集群
4.1搭建分片集群
分片集群结构
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
- 高并发写的问题
使用分片集群可以解决上述问题，分片集群特征：
- 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
- 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
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：
2.准备实例和配置
删除之前的7001、7002、7003这几个目录，重新创建出7001、7002、7003、8001、8002、8003目录：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 删除旧的，避免配置干扰
rm -rf 7001 7002 7003
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003 8001 8002 8003
在/tmp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 /tmp/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 /tmp/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 192.168.150.101
# 保护模式
protected-mode no
# 数据库数量
databases 1
# 日志
logfile /tmp/6379/run.log
将这个文件拷贝到每个目录下：
# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 执行拷贝
echo 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -t -n 1 cp redis.conf
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/tmp目录
cd /tmp
# 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 Redis
4.3.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/tmp目录
cd /tmp
# 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{} -t redis-cli -p {} shutdown
4.4.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。
我们需要执行命令来创建集群，在Redis5.0之前创建集群比较麻烦，5.0之后集群管理命令都集成到了redis-cli 中。
1）Redis5.0之前 Redis5.0之前集群命令都是用redis安装包下的src/redis-trib.rb来实现的。因为redis-trib.rb是有ruby语言编写的 所以需要安装ruby环境。
# 安装依赖
yum -y install zlib ruby rubygems
gem install redis
然后通过命令来管理集群：
# 进入redis的src目录
cd /tmp/redis-6.2.4/src
# 创建集群
./redis-trib.rb create --replicas 1 192.168.150.101:7001 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
2）Redis5.0以后
我们使用的是Redis6.2.4版本，集群管理以及集成到了redis-cli中，格式如下：
redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.150.101:7001
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
命令说明：
redis-cli --cluster或者./redis-trib.rb：代表集群操作命令
create：代表是创建集群
--replicas 1或者--cluster-replicas 1 ：指定集群中每个master的副本个数为1，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，随机分配到不同master
运行后的样子：
这里输入yes，则集群开始创建：
通过命令可以查看集群状态：
redis-cli -p 7001 cluster nodes
4.5.测试
尝试连接7001节点，存储一个数据：
# 连接
redis-cli -p 7001
# 存储数据
set num 123
# 读取数据
get num
# 再次存储
set a 1
结果悲剧了：
集群操作时，需要给redis-cli加上-c参数才可以：
redis-cli -c -p 7001
这次可以了：
4.2散列插槽
Redis会把每一个master节点映射到0~16383共16384个插槽（hash slot）上，查看集群信息时就能看到：
数据key不是与节点绑定，而是与插槽绑定。redis会根据key的有效部分计算插槽值，分两种情况：
- key中包含"{}"，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
例如：key是num，那么就根据num计算，如果是{itcast}num，则根据itcast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。
总结：
Redis如何判断某个key应该在哪个实例？
- 将16384个插槽分配到不同的实例
- 根据key的有效部分计算哈希值，对16384取余
- 余数作为插槽，寻找插槽所在实例即可
如何将同一类数据固定的保存在同一个Redis实例？
- 这一类数据使用相同的有效部分，例如key都以{typeId}为前缀
4.3集群伸缩
添加一个节点到集群
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：
比如，添加节点的命令：
案例：向集群中添加一个新的master节点，并向其中存储 num = 10
需求：
- 启动一个新的redis实例，端口为7004
- 添加7004到之前的集群，并作为一个master节点
- 给7004节点分配插槽，使得num这个key可以存储到7004实例
练习：删除集群中的一个节点
需求：
- 删除7004这个实例
4.4故障转移
当集群中有一个master宕机会发生什么呢？
1.首先是该实例与其它实例失去连接
2.然后是疑似宕机：
3.最后是确定下线，自动提升一个slave为新的master：
数据迁移
利用cluster failover命令可以手动让集群中的某个master宕机，切换到执行cluster failover命令的这个slave节点，实现无感知的数据迁移。其流程如下：
手动的Failover支持三种不同模式：
- 缺省：默认的流程，如图1~6歩
- force：省略了对offset的一致性校验
- 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
案例：在7002这个slave节点执行手动故障转移，重新夺回master地位
步骤如下：
1.利用redis-cli连接7002这个节点
2.执行cluster failover命令
4.5RedisTemplate访问分片集群
RedisTemplate底层同样基于lettuce实现了分片集群的支持，而使用的步骤与哨兵模式基本一致： 1.引入redis的starter依赖
2.配置分片集群地址
3.配置读写分离
与哨兵模式相比，其中只有分片集群的配置方式略有差异，如下：
思考：
Redis的分片集群、Elasticsearch的分片集群有哪些共同的特征呢？
