2、Redis 底层原理：Cluster 集群部署与详解

Redis 简介

Redis 提供数据缓存服务，内部数据都存在内存中，所以访问速度非常快。

早期，Redis 单应用服务亦能满足企业的需求。之后，业务量的上升，单机的读写能力满足不了业务的需求，技术上实现主从服务，并读写分离，分担主 Master 的读负担。再之后，出现了哨兵集群，和现在的 Cluster 集群。

如图，首先简单介绍与了解下各阶段的服务方式：

主从模式：

以下为哨兵模式：

简单介绍下哨兵模式：

1. 哨兵本身是一个小集群，Redis 本身为一主多从。哨兵模式只提供单一节点（主节点）对外服务，当主节点出现问题时，将出现瞬断问题，在进行选举时，不能提供服务；

2. 哨兵两两通讯，Redis 两两通讯，哨兵与 Redis 间两两通讯。哨兵与 Redis 节点间，都是通过心跳来监控状态，哨兵本身就是一个小集群；

3. 每个哨兵监控所有主从节点。哨兵监控着 Redis 的运行状况，确定主节点以及从节点，保存清单，当主节点挂掉时，进行主节点的选举，更新服务列表；

4. Server 首先通过哨兵（Sentinel）来确定访问那台 Redis 服务器 服务端使用 Redis 时，优先访问哨兵集群，获取可访问的 Redis 服务的 IP 和端口。

接下来主要讲的集群模式，Cluster（Redis 3.0 新特性）：

首先简单介绍下 Cluster 模式的集群，后续详细讲解：

1. 集群对外统一。在使用集群时，只需要关注 Redis 各个节点的 IP 和端口，至于读写节点、主从等无需关注；

2. 集群内部协调。主从节点在集群部署时已选举完成，除非节点挂掉，会进行重新选举。其次删除相关配置项时，也会重新选举主节点；

3. 去中心化。本模式不再如哨兵、Codise 等，需要第三方监控。Cluster自行加入选举，完成主节点选举，以及读写访问控制。

Redis 详解

Redis 单服务的安装

基本操作，若已熟悉，可跳过此节

系统环境：CentOS 7

安装内容：

安装编译工具 yum -y install gcc
官网下载 Redis 源码，Wget 也可直接安装（Yum）： Wget http://download.redis.io/releases/redis-5.0.2.tar.gz 解压 tar xzf redis-5.0.2.tar.gz 进入文件夹 cd redis-5.0.2 编译与安装 make & make install

编译完成后，在文件夹内会生成src目录，启动等脚本都在改目录内。

进入目录：cd src 启动 Redis，注意，此时都使用默认配置，后续会详细介绍配置文件：./redis-server ../redis.conf 通过命令查看是否成功：ps -ef|grep redis默认端口为 6379

可通过 Redis 工具连接服务，并进行设置与取值。

./redis-cli 可直接连接 Redis 服务端（此处未设置密码） set key value get key 退出：quit

Redis 存储数据结构

Redis 总的以 HashTable 存储，内部存储 5 种数据结构。（我们此次使用的 Redis 版本为 5.0.2）

1. Key-String 字符串存储；

2. Key-List 列表存储；

3. Key-Hash 哈希存储；

4. Key-Set 集合存储；

5. Key-Zset 有序集合存储。

首先来看下数据结构：

按顺序展示存储方式：

1. 字符串存储，这个就没必要多说了，直接设置值，取值；

2. 列表存取，可参考文章 《Redis 中 List 常用命令》。可以看做一个双端队列的值，可从左右插入值，左右弹出值。具体命令可以搜索文章使用，当然在实际项目中，使用代码操作，命令不常用，不必死记硬背（可保存在自己能快速查看的地方，便于突发情况下使用）。 如：

   LPUSH key value [value ...] 左端插入 RPUSH key value [value ...] 右端插入 LPOP key 左端弹出 RPOP key 右端弹出

3. 哈希存取 可看做对象的使用，key 为对象整体，内部字段用作第二属性存取。 如：

   设置一本书的作者为mayun； hset book author mayun； 得到作者名称mayun； hget book author

4. 集合存取 与 Java 内 HashSet 相同，无序唯一的键值对。

   sadd key value sadd key value1 value2 value3 smembers key 无序结果集 sismember key value 相当于 contains scard key 获取长度 count spop key 弹出

5. 有序集合存取 zset 似于 Java 的 SortedSet 和 HashMap 的结合体，一方面它是一个 set，保证了内部 value 的唯一性，另一方面它可以给每个 value 赋予一个 score，代表这个 value 的排序权重。 可用于需要排序的数据，如分数、时间等。

   zadd key score value zrange key s1 s2 按 score 排序列出，s1、s2 为排名范围，第 s1 至 s2 名 zrevrange key s1 s2 逆序 zscore key value 获取 score zrank key value 获取排名 zrangebyscore key s1 s2 遍历范围内分值的 zset zrangebyscore key -inf s2 withscores 根据分值范围遍历（负无穷，s2），inf 代表 infinite zrem key value 删除 value。

6. Redis5.0 新特性：Stream 参考此文

其他高级命令： keys 全量遍历键（谨慎使用） scan 渐进式遍历键 >scan 0 match * count 1000 从游标位置，匹配 1000 条记录，返回游标加集合 >scan p1 match p2 count p3 其中，3 个参数，p1：游标，p2：匹配内容，p3：查询数量。

Redis 特点、实现&部分配置

大家都知道 Redis 服务速度快，有一点是因为在内存操作，那么还有什么地方体现么？

1. 连接请求使用单线程，无线程间切换损耗 此处注意，单线程只是接收命令的入口使用单线程。还有其他线程用于处理持久化，AOF 重写以及其他操作。

2. I/O 多路复用 下一节介绍网络编程的几种模型。

   

3. 内存数据，基本操作在纳秒级别。缓存数据被存在内存中，访问速度非常迅速。但需要注意的是，避免使用消耗资源较大的命令，如 keys ，若数据量小时没问题，如果数据量非常庞大时，将会影响 Redis 的性能，比如数据的传输变慢，占用内存飙高，CPU 上升等问题。

Redis 服务重启后数据会如何？

1. 快照持久化：默认开启，配置快照持久化后，会生成一个快照文件（相当于将数据打包并且压缩备份好，默认：dump.rdb），并可以配置生成快照文件的频率。启动加载 RDB 文件。 配置文件名与文件保存地址。

   

   配置触发方式，看到注释内说明，在 N 秒内发生 X 次变化，则会 dump 一次，生成快照文件。 默认开启压缩：

   rdbcompression yes

    生成在配置的目录。

2. AOF 持久化：默认关闭，开启此配置后，将会生成一个 AOF 文件，内部记录的 Redis 启动后执行的所有命令。启动执行 AOF 文件内的命令。

   

   首先开启配置：

   appendonly yes 配置文件名： appendfilename "appendonly.aof" 生成文件目录与 RDB 路径相同。

   那么这个 AOF 文件的生成有什么规则呢？这样的配置，涉及持久化文件的重写，配置：

   • 文件扩大 100% 的时候重写；
   • 文件大于 64M 的时候才能触发重写动作。 这里所说的重写是指，Redis 启动后，除了生成快照的持久化，还有 AOF 记录命令的持久化，当 AOF 文件过大，且达到重写的条件后，将 AOF 内的命令与 RDB 文件结合，重新生成 RDB，而 AOF 内的命令将会清除，开始记录新的命令。

持久化文件有了，并且理论上大小不限，那么 Redis 的数据就要收到内存的限制了，那么是否会将内存撑爆呢？

看图说话：

查看内存管理模块，可以看到一大部分注释，最后一行，默认是注释掉的，就相当于不限制 Redis 的内存使用，那么如果数据了持久增加的情况下，内存会爆掉。

可以适当设置内存的大小，比如设置 8GB，在集群的情况下，不需要设置太高，保持良好性能。

设置好了内存大小限制，那么当内存满了之后，Redis 将会如何处理呢？

此时，需要提供缓存淘汰策略了，配置当内存达到最大时，按照一定规则去删除内存中旧的值。

可以看到，Redis 提供了多种缓存淘汰策略，含义在注释中说的很清楚。

LRU：表示最近最少使用； LFU：表示最不常用的。

区别在于：LFU 是一定时间内访问最少的，比如 10 分钟内访问最少的，而 LRU 则是指服务启动后，访问量最少的内容。 下面按顺序说明下淘汰策略：

1. 筛选出设置了有效期的，最近最少使用的 key；
2. 所有 key 中，筛选出最近最少使用的 key；
3. 筛选出设置了有效期的，最不常用的 key；
4. 所有 key 中，筛选出最不常用的 key ；
5. 随机筛选出设置了有效期的 key；
6. 所有 key 中，随机筛选出 key进行删除；
7. 筛选出所有设置有效期的 key 中，有效期最短的 key；
8. 拒绝策略，当内存满了之后，服务不做任何处理，直接返回一个错误 Redis 默认是拒绝策略，可根据实际情况做出设置。

这样做的目的是什么呢？

1. 在 Redis 服务重启时，快照数据恢复的时间，比 AOF 一行行执行命令快；

2. AOF 是实时记录 Redis 执行的命令的，不会造成命令丢失，而快照是要满足一定条件才能出发（如，记录变动了 1 次，不满足更新快照的条件，此时服务宕机了，那么重启时，这次变动的数据就丢失了，而 AOF 记录下了执行的命令）。这样就防止了数据的丢失；

3. 快速恢复快照的内容，之后再执行剩余的 AOF 内的命令，完整恢复数据。

Redis 的密码如何设置呢？

找到安全模块，设置自己的密码，不需要可注释掉。

最后就是端口的设置，找 port 的地方，修改即可。

此处修改端口，另外注意，上面有个 bind，就是绑定 IP 地址（哪些 IP 可访问服务），默认是注释掉的。

以上为一些基础介绍与配置，接下来我们先来了解下网络模型的知识，有利于理解各类框架间的通讯。

网络编程模型介绍

1. 阻塞式 I/O 模型，单一通道直接发起请求，等待返回信息，期间一直阻塞（等待通道可用，以及处理业务，其他通讯请求挂起），处理后，返回完成；

2. 非阻塞式 I/O 模型 （NIO），多通道检查通道是否可用，选择可用通道，发送请求，阻塞（此时直接处理业务，该通道挂起），返回完成；

3. I/O 复用模型，检查通道是否可用，就绪，发送请求，阻塞（处理业务），返回完成与 NIO 类似，主要区别在于就绪这一步骤，体现在复用上，就绪的通道可以同时发送多个请求命令；

4. 信号驱动模型，等待通知，得到通知后获取可用通道，发送请求，阻塞（处理业务），返回完成；

5. 异步 I/O 模型，发情请求，不需要等待返回通知（回调）完成。

大概了解通讯模型，助于理解网络间的通讯方式。关于通讯方面的知识，可学习分布式内容体系，涉及到 NIO，Netty，以及各类框架（此处不介绍了，有机会分享再见）。

Cluster 集群配置&部署

注意：本人是在单台服务器上，使用了 Docker 进行安装。如果大家也在单机上部署，可以使用 KVM、Docker，或者 Windows 上使用 VMware 安装 3 个实例。（建议使用 CentOS 或者 Linux）

由于分多次编辑，所以会出现不在同一电脑截图，上图片为 MAC 截图，其中 rds1-3 为 3 个安装了 Redis 的容器。

为了选举，Redis 集群至少 3 主 3 从，当一个主从都挂掉后，将不能提供服务（也可配置 2 台提供服务）：

配置介绍

首先，使用守护进行，在后台运行程序：在配置文件内将 daemonize 设置为 true。（查找某个内容：首先输入：/，然后输入要搜索的内容，回车即可；后续介绍一些简单命令）

设置事项： >端口，每一个主从节点的端口修改。 >储存地址，每个主从节点的文件存放地址，查找 dir，修改文件地址，上文已提到。 >启动模式：cluster-enabled yes（启动集群模式） >节点信息：cluster-config-file nodes-80XX.conf，启动后存储各个节点的信息，下文查看生成的文件内容>集群超时时间：cluster-node-timeout 5000 ，发生网络抖动时，判断节点是否在线 >关闭保护模式：protected-mode no，否则集群连接会失败 >密码设置：masterauth xxxxzj，之前的秘密为连接密码，这里就是配置连接时需要使用的密码，认证使用。 >其他几台相同配置，修改不同端口，不同文件存储目录，否则可能数据丢失

bind 192.168.31.142
protected-mode no
port 8002
tcp-backlog 511
timeout 0
tcp-keepalive 300
daemonize yes
supervised no
pidfile /var/run/redis_6379.pid
loglevel notice
logfile ""
databases 16
always-show-logo yes
save 900 1
save 300 10
save 60 10000
stop-writes-on-bgsave-error yes
rdbcompression yes
rdbchecksum yes
dbfilename dump.rdb
dir ./
masterauth cluster-master
replica-serve-stale-data yes
replica-read-only yes
repl-diskless-sync no
repl-diskless-sync-delay 5
repl-disable-tcp-nodelay no
replica-priority 100
requirepass redis-pass
lazyfree-lazy-eviction no
lazyfree-lazy-expire no
lazyfree-lazy-server-del no
replica-lazy-flush no
appendonly yes
appendfilename "appendonly.aof"
appendfsync everysec
no-appendfsync-on-rewrite no
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb
aof-load-truncated yes
aof-use-rdb-preamble yes
lua-time-limit 5000
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes-8002.conf
cluster-node-timeout 5000
slowlog-log-slower-than 10000
slowlog-max-len 128
latency-monitor-threshold 0
notify-keyspace-events ""
hash-max-ziplist-entries 512
hash-max-ziplist-value 64
list-max-ziplist-size -2
list-compress-depth 0
set-max-intset-entries 512
zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value 64
hll-sparse-max-bytes 3000
stream-node-max-bytes 4096
stream-node-max-entries 100
activerehashing yes
client-output-buffer-limit normal 0 0 0
client-output-buffer-limit replica 256mb 64mb 60
client-output-buffer-limit pubsub 32mb 8mb 60
hz 10
dynamic-hz yes
aof-rewrite-incremental-fsync yes
rdb-save-incremental-fsync yes

启动

第一步： 启动每个 Redis 实例，一共启动 6 个。

进入 Redis 的脚本目录，启动服务，选中配置文件。

相同的方式启动其他 5 个实例。

启动后的样子：

可以看到，此时的服务，后面比之前普通启动多了一个标示：[cluster]，表示已 Cluster 集群模式启动，都启动成功后，即可执行集群创建的命令。

第二步： 随意连接一个实例

./redis-cli -c -a xxxxzj -h ip -p port -c：表示集群 -h：表示ip -p：表示端口 查看是否能连接，然后退出quit。

此时可以执行创建集群的命令了。

./redis-cli -a xxxxzj --cluster create --cluster-replicas 1 172.18.0.5:8101 172.18.0.6:8102 172.18.0.7:8103 172.18.0.5:8104 172.18.0.6:8105 172.18.0.7:8106

其中，--cluster create 表示创建集群，--cluster -replicas 1 表示备份因子，指明一个主节点拥有一个（1 的意义）从节点。

执行命令，看下精彩部分：

自动分配主从节点，并询问是否可按该配置执行，此处必须输入yes完整单词。

回车，系统开始配置集群：

开始集群的创建。

创建完成后，如图：

创建前后都可以看到主从的信息，m 为 master，s 为 slave。

之后，连接 Redis，使用

./redis-cli -c -a XXXXzj -h 172.18.0.5 -p 8101 cluster nodes 查看节点信息 172.18.0.5:8101> cluster nodes

第一列为节点 ID，之后为 IP，端口，主从节点信息，如果是从节点，会给出主节点的 ID。

cluster info

此处可以看到：

clustersize:3 集群节点，3 个主从节点 clustercurrentepoch:6 当前集群经过了 6 轮选举 clusterknownodes:6 当前集群内的实例节点，有 6 个实例 clusterslots***:16384 集群内的 hash 槽位，下文有详解 clusterstate:ok 集群状态为 ok

这里要说明下，在通讯端口之后有个更大的端口需要打开，比如 8101 端口，会有个 18101 端口同时打开，所以如果需要给外网的时候，需要开通防火墙端口，防止集群创建失败。

原理介绍

选举

集群启动后，主从已分配完成，经过了 N 轮的选举。当某一个主节点宕机，那么从节点需要经过选举成为主节点。

简单介绍选举过程：

所有子节点向其他节点发送请求，请求自身成为主节点，其他节点收到请求后，返回投票信息，只有主节点 master 有权投票，且只能投一次，当获取到的票数大于一半人数时（master 个数），就当选 master。

期间，所有子节点发送请求的时机有所有不同。所以基本都有先后顺序，所以很少会出现票数相同情况，如果相同，则重新选举，直到选出 master 为止。

故，需要至少 3 主 3 从，否则节点出现问题，将选举失败。

槽位

在 Redis 集群中，定义了 16384 个逻辑上的槽位。将这些槽位均匀分配给 N 个节点（一主一从为一个节点），此文 3 个节点，自动均匀分配。意思为，0-5460 个槽位分配给第一个节点。

当用户 set 一个值时，除了计算 key 本身的 hashCode 之外，还会调用 C 语言的一个 CRC16 算法，将 key 当 hash 值再计算出一个数字，然后与 16384 取模，得到的数字落在哪个槽位，则会将数据放在对应的节点。

比如，计算出的数字为 16387，则取模 16384 后，得到 3，在 0-5460 之间，则放入对于的第一个节点。其他以此类推。

跳转

大家都知道，主从模式中，只有主节点可以写入数据，而从节点只能读取数据。

在 Cluster 集群中，设置值时，如果计算出的槽位在另一台服务器上，则集群连接会自动跳转至相应服务器。取值类似：

看到，redirected to slot xxxx located at IP：port 表示该 key 不在当前服务器的槽位上，重定向到了 8102 的服务器上去处理命令。

get 命令也是如此：

将会自动跳转至相应的服务器。

网络抖动

网络抖动，表示网络很不稳定。当出现这样的情况，可能一小段时间连接不上，可能就认为了节点挂了。这里就涉及到连接到超时时间，在网络不稳定的情况下，可以将超时时间设置长一些。

代码示例

Java 中 Jedis 对与 Redis 的 Cluster 支持较好。

<dependency>
    <groupId>redis.clients</groupId>
    <artifactId>jedis</artifactId>
    <version>2.9.0</version>
</dependency>

引用该版本。

import java.io.IOException;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import redis.clients.jedis.HostAndPort;
import redis.clients.jedis.JedisCluster;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;
/**
 * 访问Redis集群
 */
public class RedisCluster
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        Set<HostAndPort> jedisClusterNode = new HashSet<HostAndPort>();
        // 添加集群地址
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("172.18.0.5", 8101));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("172.18.0.6", 8102));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("172.18.0.7", 8103));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("172.18.0.5", 8104));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("172.18.0.6", 8105));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("172.18.0.7", 8106));
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        config.setMaxTotal(100);
        config.setMaxIdle(10);
        config.setTestOnBorrow(true);
        //实例化集群
        JedisCluster jedisCluster = new JedisCluster(jedisClusterNode,6000, 5000, 10,"xxxxzj", config);
        System.out.println(jedisCluster.set("student", "zj"));
        System.out.println(jedisCluster.set("age", "30"));
        System.out.println(jedisCluster.get("student"));
        System.out.println(jedisCluster.get("age"));
        jedisCluster.close();
    }
}

基本与命令都有对应的方法，可自行查看 API 的使用，引入的包内直接查看即可。

常用命令

locate fileName 查询文件位置（安装：yum -y mlocate） find / -name fileName 查询文件位置 which redis 查询服务的目录信息 cat file 打印文件内容（大文件慎用） tail -300f fileName 动态查看文件内容，第一次打开时显示最后的 300 行 wget http://xxxxxx 下载文件（安装：yum -y wget） curl http://xxxxxx 请求路径，打印返回内容，查看是否能请求通 ps -ef | grep serverName 查看服务的信息 jps -lv 此为 JDK 工具，查看所有 Java 程序，列出信息 ip addr 查看 IP 信息（新版系统）