前言

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本文小新为大家带来 Redis分布式系统 相关知识，具体内容包括数据分区算法（包括：顺序分区，哈希分区），系统搭建与运行（包括：系统搭建，系统启动与关闭），集群操作（包括：连接集群，写入数据，集群查询，故障转移，集群扩容，集群缩容），分布式系统的限制等进行详尽介绍~

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↩️本文上接：超详细Redis入门教程——Redis 主从集群（下）

前言
目录
一、数据分区算法
- 1️⃣顺序分区
- 2️⃣哈希分区
二、系统搭建与运行
- 1️⃣系统搭建
- 2️⃣系统启动与关闭
三、集群操作
- 1️⃣连接集群
- 2️⃣写入数据
- 3️⃣集群查询
- 4️⃣故障转移
- 5️⃣集群扩容
- 6️⃣集群缩容
四、分布式系统的限制
后记

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Redis 分布式系统，官方称为 Redis Cluster，Redis 集群，其是 Redis 3.0 开始推出的分布式解决方案。其可以很好地解决不同 Redis 节点存放不同数据，并将用户请求方便地路由到不同 Redis 的问题。

一、数据分区算法

分布式数据库系统会根据不同的数据分区算法，将数据分散存储到不同的数据库服务器节点上，每个节点管理着整个数据集合中的一个子集。

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常见的数据分区规则有两大类：顺序分区与哈希分区。

1️⃣顺序分区

顺序分区规则可以将数据按照某种顺序平均分配到不同的节点。不同的顺序方式，产生了不同的分区算法。例如，轮询分区算法、时间片轮转分区算法、数据块分区算法、业务主题分区算法等。由于这些算法都比较简单，所以这里就不展开描述了。

🍀（1）轮询分区算法

每产生一个数据，就依次分配到不同的节点。该算法适合于数据问题不确定的场景。其分配的结果是，在数据总量非常庞大的情况下，每个节点中数据是很平均的。但生产者与数据节点间的连接要长时间保持。

🍀（2）时间片轮转分区算法

在某人固定长度的时间片内的数据都会分配到一个节点。时间片结束，再产生的数据就会被分配到下一个节点。这些节点会被依次轮转分配数据。该算法可能会出现节点数据不平均的情况（因为每个时间片内产生的数据量可能是不同的）。但生产者与节点间的连接只需占用当前正在使用的这个就可以，其它连接使用完毕后就立即释放。

🍀（3）数据块分区算法

在整体数据总量确定的情况下，根据各个节点的存储能力，可以将连接的某一整块数据分配到某一节点。

🍀（4）业务主题分区算法

数据可根据不同的业务主题，分配到不同的节点。

2️⃣哈希分区

哈希分区规则是充分利用数据的哈希值来完成分配，对数据哈希值的不同使用方式产生了不同的哈希分区算法。哈希分区算法相对较复杂，这里详细介绍几种常见的哈希分区算法。

🍀（1）节点取模分区算法

该算法的前提是，每个节点都已分配好了一个唯一序号，对于 N 个节点的分布式系统，其序号范围为[0, N-1]。然后选取数据本身或可以代表数据特征的数据的一部分作为 key，计算 hash(key)与节点数量 N 的模，该计算结果即为该数据的存储节点的序号。

该算法最大的优点是简单，但其也存在较严重的不足。如果分布式系统扩容或缩容，已经存储过的数据需要根据新的节点数量 N 进行数据迁移，否则用户根据 key 是无法再找到原来的数据的。生产中扩容一般采用翻倍扩容方式，以减少扩容时数据迁移的比例。

🍀（2）一致性哈希分区算法

一致性 hash 算法通过一个叫作一致性 hash 环的数据结构实现。这个环的起点是 0，终点是 2³² - 1，并且起点与终点重合。环中间的整数按逆/顺时针分布，故这个环的整数分布范围是[0, 2³² - 1]

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上图中存在四个对象 o1、o2、o3、o4，分别代表四个待分配的数据，红色方块是这四个数据的 hash(o)在 Hash 环中的落点。同时，图上还存在三个节点 m0、m1、m2，绿色圆圈是这三节点的 hash(m)在 Hash 环中的落点。

现在要为数据分配其要存储的节点。该数据对象的 hash(o) 按照逆/顺时针方向距离哪个节点的 hash(m)最近，就将该数据存储在哪个节点。这样就会形成上图所示的分配结果。

该算法的最大优点是，节点的扩容与缩容，仅对按照逆/顺时针方向距离该节点最近的节点有影响，对其它节点无影响。

当节点数量较少时，非常容易形成数据倾斜问题，且节点变化影响的节点数量占比较大，即影响的数据量较大。所以，该方式不适合数据节点较少的场景。

🍀（3）虚拟槽分区算法

该算法首先虚拟出一个固定数量的整数集合，该集合中的每个整数称为一个 slot 槽。这个槽的数量一般是远远大于节点数量的。然后再将所有 slot 槽平均映射到各个节点之上。例如，Redis 分布式系统中共虚拟了 16384 个 slot 槽，其范围为[0, 16383]。假设共有 3 个节点，那么 slot 槽与节点间的映射关系如下图所示：

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而数据只与 slot 槽有关系，与节点没有直接关系。数据只通过其 key 的 hash(key)映射到slot 槽：slot = hash(key) % slotNums。这也是该算法的一个优点，解耦了数据与节点，客户端无需维护节点，只需维护与 slot 槽的关系即可。

Redis 数据分区采用的就是该算法。其计算槽点的公式为：slot = CRC16(key) % 16384。CRC16()是一种带有校验功能的、具有良好分散功能的、特殊的 hash 算法函数。其实 Redis中计算槽点的公式不是上面的那个，而是：slot = CRC16(key) &16383。

若要计算 a % b，如果 b 是 2 的整数次幂，那么 a % b = a & (b-1)。

二、系统搭建与运行

1️⃣系统搭建

🍀（1）系统架构

下面要搭建的 Redis 分布式系统由 6 个节点构成，这 6 个节点的地址及角色分别如下表所示。一个 master 配备一个 slave，不过 master 与 slave 的配对关系，在系统搭建成功后会自动分配。

序号	角色	地址
1	master	127.0.0.1:6380
2	master	127.0.0.1:6381
3	master	127.0.0.1:6382
4	slave	127.0.0.1:6383
5	slave	127.0.0.1:6384
6	slave	127.0.0.1:6385

🍀（2）删除持久化文件

先将之前“Redis 主从集群”中在 Redis 安装目录下生成的 RDB 持久化文件 dump638*.conf与 AOF 持久化文件删除。因为 Redis 分布式系统要求创建在一个空的数据库之上。注意，AOF持久化文件全部在appendonlydir 目录中。

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🍀（3）创建目录

在 Redis 安装目录中 mkdir 一个新的目录 cluster-dis，用作分布式系统的工作目录。

🍀（4）复制 2 个配置文件

将 cluster 目录中的 redis.conf 与 redis6380.conf 文件复制到 cluster-dis 目录。

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🍀（5）修改 redis.conf

对于 redis.conf 配置文件，主要涉及到以下三个四个属性：

A、dir

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指定工作目录为前面创建的 cluster-dis 目录。持久化文件、节点配置文件将来都会在工作目录中自动生成。

B、 cluster-enabled

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该属性用于开启 Redis 的集群模式。

C、 cluster-config-file

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该属性用于指定“集群节点”的配置文件。该文件会在第一次节点启动时自动生成，其生成的路径是在 dir 属性指定的工作目录中。在集群节点信息发生变化后（如节点下线、故障转移等），节点会自动将集群状态信息保存到该配置文件中。

不过，该属性在这里仍保持注释状态。在后面的每个节点单独的配置文件中配置它。

D、cluster-node-timeout

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用于指定“集群节点”间通信的超时时间阈值，单位毫秒。

🍀（6）修改 redis6380.conf

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仅添加一个 cluster-config-file 属性即可。

🍀（7）复制 5 个配置文件

使用 redis6380.conf 复制出 5 个配置文件 redis6381.conf、redis6382.conf、redis6383.conf、redis6384.conf、redis6385.conf。

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cluster-dis 中出现了 7 个配置文件。

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🍀（8）修改 5 个配置文件

修改 5 个配置文件 redis6381.conf、redis6382.conf、redis6383.conf、redis6384.conf、redis6385.conf 的内容，将其中所有涉及的端口号全部替换为当前文件名称中的端口号。例如，下面的是 redis6381.conf 的配置文件内容。

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2️⃣系统启动与关闭

🍀（1）启动节点

启动所有 Redis 节点。

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此时查看 cluster-dis 目录，可以看到生成了 6 个 nodes 的配置文件。

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🍀（2）创建系统

6 个节点启动后，它们仍是 6 个独立的 Redis，通过 redis-cli --cluster create 命令可将 6个节点创建了一个分布式系统。

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该命令用于将指定的 6 个节点连接为一个分布式系统。–cluster replicas 1 指定每个master 会带有一个 slave 作为副本。

回车后会立即看到如下日志：

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输入 yes 后回车，系统就会将以上显示的动态配置信息真正的应用到节点上，然后就可可看到如下日志：

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🍀（3）测试系统

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通过 cluster nodes 命令可以查看到系统中各节点的关系及连接情况。只要能看到每个节点给出 connected，就说明分布式系统已经成功搭建。不过，对于客户端连接命令 redis-cli，需要注意两点：

redis-cli 带有-c 参数，表示这是要连接一个“集群”，而非是一个节点。
端口号可以使用 6 个中的任意一个。

🍀（4）关闭系统

对于分布式系统的关闭，只需将各个节点 shutdown 即可。

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三、集群操作

1️⃣连接集群

连接集群

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与之前单机连接相比的唯一区别就是增加了参数-c。

2️⃣写入数据

🍀（1）key 单个写入

无论 value 类型为 String 还是 List、Set 等集合类型，只要写入时操作的是一个 key，那么在分布式系统中就没有问题。例如，

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🍀（2）key 批量操作

对一次写入多个 key 的操作，由于多个 key 会计算出多个 slot，多个 slot 可能会对应多个节点。而由于一次只能写入一个节点，所以该操作会报错。

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不过，系统也提供了一种对批量 key 的操作方案，为这些 key 指定一个统一的 group，让这个 group 作为计算 slot 的唯一值。

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3️⃣集群查询

🍀（1）查询 key 的 slot

通过 cluster keyslot 可以查询指定 key 的 slot。例如，下面是查询 emp 的 slot。

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🍀（2）查询 slot 中 key 的数量

通过 cluster countkeysinslot 命令可以查看到指定 slot 所包含的 key 的个数。

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🍀（3）查询 slot 中的 key

通过 cluster getkeysinslot 命令可以查看到指定 slot 所包含的 key。

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4️⃣故障转移

分布式系统中的某个 master 如果出现宕机，那么其相应的 slave 就会自动晋升为 master。如果原 master 又重新启动了，那么原 master 会自动变为新 master 的 slave。

🍀（1）模拟故障

通过 cluster nodes 命令可以查看系统的整体架构及连接情况。
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当然，也可以通过 info replication 查看当前客户端连接的节点的角色。可以看到，6381节点是 master，其 slave 为 6383 节点。

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为了模拟 6381 宕机，直接将其 shutdown。

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通过客户端连接上 6383 节点后可以查看到，其已经自动晋升为了 master。

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重启 6381 节点后查看其角色，发现其自动成为了 6383 节点的 slave。

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🍀（2）全覆盖需求

如果某 slot 范围对应节点的 master 与 slave 全部宕机，那么整个分布式系统是否还可以对外提供读服务，就取决于属性cluster-require-full-coverage 的设置。

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该属性有两种取值：

yes：默认值。要求所有 slot 节点必须全覆盖的情况下系统才能运行。
no：slot 节点不全的情况下系统也可以提供查询服务。

5️⃣集群扩容

下面要在正在运行的分布式系统中添加两个新的节点：端口号为 6386 的节点为 master节点，其下会有一个端口号为 6387 的 slave 节点。

🍀（1）复制并修改 2 个配置文件

使用 redis6380.conf 复制出 2 个配置文件 redis6386.conf 与 redis6387.conf，并修改其中的各处端口号为相应端口号，为集群扩容做前期准备。

🍀（2）启动系统与 2 个节点

由于要演示的是在分布式系统运行期间的动态扩容，所以这里先启动分布式系统。

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要添加的两个节点是两个 Redis，所以需要先将它们启动。只不过，在没有添加到分布式系统之前，它们两个是孤立节点，每个节点与其它任何节点都没有关系。

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🍀（3）添加 master 节点

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通过命令 redis-cli --cluster add-node {newHost}:{newPort} {existHost}:{existPort}可以将新的节点添加到系统中。其中{newHost}:{newPort}是新添加节点的地址，{existHost}:{existPort}是原系统中的任意节点地址。

添加成功后可看到如下日志。

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添加成功后，通过 redis-cli -c -p 6386 cluster nodes 命令可以看到其它 master 节点都分配有 slot，只有新添加的 master 还没有相应的 slot。当然，通过该命令也可以看到该新节点的动态 ID。

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🍀（4）分配 slot

为新的 master 分配的 slot 来自于其它节点，总 slot 数量并不会改变。所以 slot 分配过程本质是一个 slot 的移动过程。

通过 redis-cli –c --cluster reshard {existIP}:{existPort}命令可开启 slot 分配流程。其中地址{existIP}:{existPort}为分布式系统中的任意节点地址。

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该流程中会首先查询出当前节点的 slot 分配情况。

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然后开始 Q&A 交互。一共询问了四个问题，这里有三个：

准备移动多少 slot？
准备由谁来接收移动的 slot？
选择要移动 slot 的源节点。有两种方案。如果选择键入 all，则所有已存在 slot 的节点都将作为 slot源节点，即该方案将进行一次 slot 全局大分配。也可以选择其它部分节点作为 slot 源节点。此时将源节点的动态 ID 复制到这里，每个ID 键入完毕后回车，然后再复制下一个 slot 源节点动态 ID，直至最后一个键入完毕回车后再键入 done。

这里键入的是 all，进行全局大分配。

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其首先会检测指定的 slot 源节点的数据，然后制定出 reshard 的方案。

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这里会再进行一次 Q&A 交互，询问是否想继续处理推荐的方案。键入 yes，然后开始真正的全局分配，直至完成。

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此时再通过 redis-cli -c -p 6386 cluster nodes 命令查看节点信息，可以看到 6386 节点中已经分配了 slot，只不过分配的 slot 编号并不连续。master 节点新增完成。

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🍀（5）添加 slave 节点

现要将 6387 节点添加为 6386 节点的 slave。当然，首先要确保 6387 节点的 Redis 是启动状态。

通过 redis-cli --cluster add-node {newHost}:{newPort} {existHost}:{existPort} --cluster-slave --cluster-master-id masterID 命令可将新添加的节点直接添加为指定 master 的 slave。

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