分布式缓存
单机的Redis存在四大问题:

Redis持久化
Redis有两种持久化方案:
- RDB持久化
- AOF持久化
RDB 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。
执行时机
RDB持久化在四种情况下会执行:
- 执行save命令
- 执行bgsave命令
- Redis 正常关闭(SHUTDOWN)
- 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 10000RDB的其它配置也可以在redis.conf文件中设置:
# 是否压缩 ,建议不开启,压缩也会消耗cpu,磁盘的话不值钱
rdbcompression yes
# RDB文件名称
dbfilename dump.rdb
# 文件保存的路径目录
dir ./bgsave 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。

小结
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
AOF 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 配置
AOF默认是关闭的,需要修改 redis.conf 配置文件来开启AOF:
# 是否开启AOF功能,默认是no
appendonly yes
# AOF文件的名称
appendfilename "appendonly.aof"AOF的命令记录的频率也可以通过redis.conf文件来配:
# 表示每执行一次写命令,立即记录到AOF文件
appendfsync always
# 写命令执行完先放入AOF缓冲区,然后表示每隔1秒将缓冲区数据写到AOF文件,是默认方案
appendfsync everysec
# 写命令执行完先放入AOF缓冲区,由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘
appendfsync no三种策略对比:

AOF文件重写
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。

如图,AOF原本有三个命令,但是set num 123 和 set num 666都是对num的操作,第二次会覆盖第一次的值,因此第一个命令记录下来没有意义。
所以重写命令后,AOF文件内容就是:mset name jack num 666
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 64mbRDB与AOF对比
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。

启动时的读取优先级
第一优先级:AOF文件
条件:appendonly = yes 且 appendonly.aof 文件存在
行为:优先载入AOF文件,忽略RDB文件
原因:AOF通常包含更完整、更新的数据第二优先级:RDB文件
条件:AOF未开启 或 AOF文件不存在,但dump.rdb文件存在
行为:载入RDB文件第三优先级:空数据库启动
条件:既没有AOF文件也没有RDB文件
行为:以空数据库状态启动Redis 主从集群
主从集群搭建
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。
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:
| IP | PORT | 角色 |
|---|---|---|
| 192.168.30.129 | 7001 | master |
| 192.168.30.129 | 7002 | slave |
| 192.168.30.129 | 7003 | slave |
文件结构

**redis.conf **
requirepass 123456
bind 0.0.0.0
port 7001
dir /data
save 900 1
save 300 10
save 60 10000
# 关闭AOF
appendonly no
# 向主节点通告的IP地址
replica-announce-ip 192.168.30.129启动容器实例
docker run -d --name redis-7001 \
-p 7001:7001 \
-v /root/redis/7001/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
docker run -d --name redis-7002 \
-p 7002:7002 \
-v /root/redis/7002/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
docker run -d --name redis-7003 \
-p 7003:7003 \
-v /root/redis/7003/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf运行容器
docker start redis-7001 redis-7002 redis-7003
docker stop redis-7001 redis-7002 redis-7003
docker rm redis-7001 redis-7002 redis-7003开启主从关系
# 连接 7002
redis-cli -p 7002 -a 123456
# 如果主节点有密码,从节点需要提供主节点密码
CONFIG SET masterauth 123456
# 执行slaveof
slaveof 192.168.30.129 7001然后连接 7001节点,查看集群状态:
# 连接 7001
redis-cli -p 7001 -a 123456
# 查看状态
info replication
主从数据同步原理
全量同步
主从第一次建立连接时,会执行全量同步,将master节点的所有数据都拷贝给slave节点,流程:

这里有一个问题,master如何得知salve是第一次来连接呢??
有几个概念,可以作为判断依据:
- 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。
因为slave原本也是一个master,有自己的replid和offset,当第一次变成slave,与master建立连接时,发送的replid和offset是自己的replid和offset。
master判断发现slave发送来的replid与自己的不一致,说明这是一个全新的slave,就知道要做全量同步了。
master会将自己的replid和offset都发送给这个slave,slave保存这些信息。以后slave的replid就与master一致了。
因此,master判断一个节点是否是第一次同步的依据,就是看replid是否一致。
如图:

完整流程描述:
- 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
增量同步
全量同步需要先做RDB,然后将RDB文件通过网络传输个slave,成本太高了。因此除了第一次做全量同步,其它大多数时候slave与master都是做增量同步。
什么是增量同步?就是只更新slave与master存在差异的部分数据。如图:

那么master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?
epl_backlog 原理
master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?
这就要说到全量同步时的repl_baklog文件了。
这个文件是一个固定大小的数组,只不过数组是环形,也就是说角标到达数组末尾后,会再次从0开始读写,这样数组头部的数据就会被覆盖。
repl_baklog中会记录Redis处理过的命令日志及offset,包括master当前的offset,和slave已经拷贝到的offset:

slave与master的offset之间的差异,就是salve需要增量拷贝的数据了。
随着不断有数据写入,master的offset逐渐变大,slave也不断的拷贝,追赶master的offset:

直到数组被填满:

此时,如果有新的数据写入,就会覆盖数组中的旧数据。不过,旧的数据只要是绿色的,说明是已经被同步到slave的数据,即便被覆盖了也没什么影响。因为未同步的仅仅是红色部分。
但是,如果slave出现网络阻塞,导致master的offset远远超过了slave的offset:

如果master继续写入新数据,其offset就会覆盖旧的数据,直到将slave现在的offset也覆盖:

棕色框中的红色部分,就是尚未同步,但是却已经被覆盖的数据。此时如果slave恢复,需要同步,却发现自己的offset都没有了,无法完成增量同步了。只能做全量同步。

主从同步优化
主从同步可以保证主从数据的一致性,非常重要。
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
主从从架构图:

小结
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
Redis 哨兵
哨兵原理
集群结构和作用
哨兵的结构如图:

哨兵的作用如下:
- 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
集群监控原理
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。

集群故障恢复原理
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(断开时间太长,丢失数据过多)
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 (默认都是1)
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。(随机挑选没有什么区别)
当选出一个新的master后,该如何实现切换呢?
流程如下:
- sentinel给备选的slave1节点发送slaveof no one命令,让该节点成为master
- sentinel
广播给所有其它slave发送slaveof 192.168.30.129 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

小结
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
- 修改故障节点配置,添加slaveof 新master
搭建哨兵集群
文件结构

sentinel.conf
port 27001
sentinel announce-ip 192.168.30.129
sentinel monitor mymaster 192.168.30.129 7001 2
# 如果主节点在此时间内无响应,则判定为主观下线
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
# 故障转移过程的最大等待时间
sentinel failover-timeout mymaster 60000
# 如果主节点设置了 requirepass,这里必须配置相应密码
sentinel auth-pass mymaster 123456解读:
port 27001:是当前sentinel实例的端口sentinel monitor mymaster 192.168.30.129 7001 2:指定主节点信息mymaster:主节点名称,自定义,任意写192.168.30.129 7001:主节点的ip和端口2:选举master时的quorum值
启动容器
docker run -d --name redis-sentinel1 \
-p 27001:27001 \
-v /root/redis/7001/sentinel.conf:/usr/local/etc/redis/sentinel.conf \
redis:latest \
redis-sentinel /usr/local/etc/redis/sentinel.conf
docker run -d --name redis-sentinel2 \
-p 27002:27002 \
-v /root/redis/7002/sentinel.conf:/usr/local/etc/redis/sentinel.conf \
redis:latest \
redis-sentinel /usr/local/etc/redis/sentinel.conf
docker run -d --name redis-sentinel3 \
-p 27003:27003 \
-v /root/redis/7003/sentinel.conf:/usr/local/etc/redis/sentinel.conf \
redis:latest \
redis-sentinel /usr/local/etc/redis/sentinel.conf运行容器
docker start redis-sentinel1 redis-sentinel2 redis-sentinel3
docker stop redis-sentinel1 redis-sentinel2 redis-sentinel3
docker rm redis-sentinel1 redis-sentinel2 redis-sentinel3RedisTemplate
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。
引入依赖
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>配置Redis地址
然后在配置文件application.yml中指定redis的sentinel相关信息:
spring:
redis:
password: 123456 # Redis密码
sentinel:
master: mymaster # 主节点名称
nodes:
- 192.168.30.129:27001
- 192.168.30.129:27002
- 192.168.30.129:27003配置读写分离
在项目的启动类中,添加一个新的bean:
@Bean
public LettuceClientConfigurationBuilderCustomizer clientConfigurationBuilderCustomizer(){
return clientConfigurationBuilder -> clientConfigurationBuilder.readFrom(ReadFrom.REPLICA_PREFERRED);
}这个bean中配置的就是读写策略,包括四种:
- 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
Redis 分片集群
搭建分片集群
主从和哨兵可以解决高可用、高并发读的问题。但是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,如图:

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
项目结构

redis.conf
port 8001
# 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 /data/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 /data
# 绑定地址
bind 0.0.0.0
# 让redis后台运行 (适用docker必须设置no)
daemonize no
# 注册的实例ip
cluster-announce-ip 192.168.30.129
# 保护模式
protected-mode no
# 数据库数量
databases 1
# 日志
logfile /data/redis.log启动容器
# Redis 8001
docker run -d --name redis-8001 \
-p 8001:8001 \
-p 18001:18001 \
-v /root/redis-cluster/8001/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
# Redis 8002
docker run -d --name redis-8002 \
-p 8002:8002 \
-p 18002:18002 \
-v /root/redis-cluster/8002/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
# Redis 8003
docker run -d --name redis-8003 \
-p 8003:8003 \
-p 18003:18003 \
-v /root/redis-cluster/8003/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
# Redis 9001
docker run -d --name redis-9001 \
-p 9001:9001 \
-p 19001:19001 \
-v /root/redis-cluster/9001/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
# Redis 9002
docker run -d --name redis-9002 \
-p 9002:9002 \
-p 19002:19002 \
-v /root/redis-cluster/9002/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf
# Redis 9003
docker run -d --name redis-9003 \
-p 9003:9003 \
-p 19003:19003 \
-v /root/redis-cluster/9003/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf运行容器
docker start redis-8001 redis-8002 redis-8003 redis-9001 redis-9002 redis-9003
docker stop redis-8001 redis-8002 redis-8003 redis-9001 redis-9002 redis-9003
docker rm redis-8001 redis-8002 redis-8003 redis-9001 redis-9002 redis-9003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。
集群管理以及集成到了redis-cli中,格式如下:
redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.30.129:8001 192.168.30.129:8002 192.168.30.129:8003 192.168.30.129:9001 192.168.30.129:9002 192.168.30.129:9003命令说明:
redis-cli --cluster:代表集群操作命令create:代表是创建集群--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

测试
集群操作时,需要给redis-cli加上-c参数才可以:
redis-cli -c -p 8001
他会根据key计算插槽数自动切换到对应节点
散列插槽
插槽原理
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,有效部分两种情况:
- 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。

如图,在7001这个节点执行set a 1时,对a做hash运算,对16384取余,得到的结果是15495,因此要存储到7003节点。
到了7003后,执行get num时,对num做hash运算,对16384取余,得到的结果是2765,因此需要切换到7001节点
小结
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
集群伸缩
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:
redis-cli --cluster help需求分析
需求:向集群中添加一个新的master节点,并向其中存储 num = 10
- 启动一个新的redis实例,端口为8004
- 添加8004到之前的集群,并作为一个master节点
- 给8004节点分配插槽,使得num这个key可以存储到8004实例
这里需要两个新的功能:
- 添加一个节点到集群中
- 将部分插槽分配到新插槽
创建新的 Redis 实例
创建一个Redis实例根据上面集群部署创建即可。
docker run -d --name redis-8004 \
-p 8004:8004 \
-p 18004:18004 \
-v /root/redis-cluster/8004/redis.conf:/usr/local/etc/redis/redis.conf \
redis:latest \
redis-server /usr/local/etc/redis/redis.conf添加新节点到 Redis
执行命令:
redis-cli --cluster add-node 192.168.30.129:8004 192.168.30.129:8001redis-cli --cluster add-node: Redis 集群管理命令,用于添加节点192.168.30.129:8004: 要添加的新节点的 IP 地址和端口192.168.30.129:8001: 集群中已存在的任意一个节点的 IP 地址和端口(作为集群的入口点)
通过命令查看集群状态:
redis-cli -p 8004 cluster nodes转移插槽
我们要将num存储到8004节点,因此需要先看看num的插槽是多少:

如上图所示,num的插槽为2765.
我们可以将0~3000的插槽从7001转移到7004,命令格式如下:

建立连接:
redis-cli --cluster reshard 192.168.30.129:8001得到下面的反馈:

询问要移动多少个插槽,我们计划是3000个:
那个node来接收这些插槽?显然用的是8004节点ID

这里询问,你的插槽是从哪里移动过来的?
- all:代表全部,也就是三个节点各转移一部分
- 具体的id:目标节点的id
- done:没有了
填完后,点击done,这样插槽转移就准备好了:

确认要转移吗?输入yes:
检查是否成功转移插槽:

显然8004节点插槽位0--2999,而8001:3000-5460。
故障转移
自动故障转移
当集群中有一个master宕机会发生什么呢?
直接停止一个redis实例,例如8002:
redis-cli -p 8002 shutdown- 首先是该实例与其它实例失去连接,然后是疑似宕机
- 最后是确定下线,自动提升一个slave为新的master
- 当8002再次启动,就会变为一个slave节点了
手动故障转移
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:

这种failover命令可以指定三种模式:
- 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
案例需求:在8002这个slave节点执行手动故障转移,重新夺回master地位
redis-cli -p 8002
cluster failover
8002和19002实现主从切换了。
RedisTemplate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:
spring:
redis:
# password: 123456 # Redis密码 (Redis是否设置密码)
cluster:
nodes:
- 192.168.30.129:8001
- 192.168.30.129:8002
- 192.168.30.129:8003
- 192.168.30.129:8004
- 192.168.30.129:9001
- 192.168.30.129:9002
- 192.168.30.129:9003