五. Redis 集羣模式
參考地址：
《redis三種模式對比》
Redis 集羣模式有三種：主從模式（Redis 2.8 版本之前）、哨兵模式（Redis 3.0 之前）、集羣模式（Redis 3.0 之後）。
5.1 主從模式
同 Mysql 主從複製的原因一樣，Redis 雖然讀取寫入的速度都特別快，但是也會產生讀壓力特別大的情況。爲了分擔讀壓力，Redis 支持主從複製，Redis 的主從結構可以採用一主多從，或者級聯結構，Redis 主從複製可以根據是否是全量分爲全量同步和增量同步。下圖爲級聯結構。
Redis 全量複製一般發生在 Slave 初始化階段，這是 Slave 需要將 Master 上的所有數據都複製一份。具體步驟如下：
- Slave 服務器連接 Master 服務器，發送 SYNC 指令；
- Master 服務器接收到 SYNC 指令後，開始執行 BGSAVE 指令，生成 RDB 文件，並使用緩衝區記錄生成 RDB 文件的這段時間裏執行的所有寫命令；
- Master 服務器 BGSAVE 執行完畢，想所有 Slave 服務器發送快照文件，並在發送期間繼續記錄被執行的寫命令；
- Slave 服務器收到快照文件後，丟棄所有舊數據，載入收到的快照；
- Master 服務器快照發送完畢後，開始向 Slave 服務器發送緩衝區的寫命令；
- Slave 服務器完成對快照的載入，開始接受發來的寫命令請求，並執行來自 Master 緩衝區的寫命令。
- 優點：
- 用比較簡便的方式實現了讀寫分離，解決了備份問題，提高了服務器的性能；
- 缺點：
- 所有 Master, Slave 節點都是用 IP 和端口配置的，如果有節點故障下線，不能主動通知其他節點，只能手動修改配置的方式修復；
- 如果 Master 節點故障，無法做到自動選舉 Master 節點，需要手動修復；
- 無法動態擴容；
5.2 哨兵模式
哨兵 (Sentinal) 的作用是監控 Redis 服務器的狀態，可以實現在 Master 節點下線時，將其他 Slave 節點升級爲 Master 節點的功能。多個哨兵可以監控同一個 Redis 節點，哨兵與哨兵之間也可以相互監視。
5.2.1 哨兵的工作原理
哨兵進程啓動後，會讀取配置文件內容，查找到 Master 服務器的 IP 與端口，與 Master 服務器建立兩條連接。此外，只要給哨兵提供多個 Master 服務器的信息，就能實現一個哨兵監控多個 Master 服務器。
與 Master 服務器建立連接後，哨兵會按照一定頻率執行三個操作：
- 定期向 Master 節點發送 INFO 命令；
- 用於發現 Master 及其 Slave 節點信息，實現節點加入的自動發現；
- 定期向 Master 和其 Slave 節點的哨兵頻道發送自己的信息；
- 向 Master, Slave 共享自己的信息，用來讓其他哨兵通過這些信息發現自己，這樣就可以接收到其他哨兵給自己發的 PING 信息；此外，其他哨兵可以通過該信息判斷 master 版本，如果當前哨兵的版本更高，則進行更新；
- 定期向 Master, Slave 和其他哨兵發送 PING 信息，監控它們是否已經停止服務；
- 如果 PING 的節點超時沒有回覆，則哨兵認爲該節點主觀下線；
- 如果被哨兵認爲主觀下線的節點是 Master 節點，則會向其他哨兵進行詢問，是否它們認爲該 Master 節點主觀下線。如果有半數以上的哨兵認爲 Master 節點主觀下線，則哨兵會認爲該 Master 節點客觀下線，並開始執行選舉。
認爲 Master 節點客觀下線後，故障恢復的操作需要一個領頭的哨兵執行。選舉採用 RAFT 算法：
- 發現 master 下線的哨兵節點（我們稱他爲 A），向每個哨兵發送命令，要求對方選自己爲領頭哨兵；
- 如果目標哨兵節點沒有選過其他人，則會同意選舉 A 爲領頭哨兵；
- 如果有超過一半的哨兵同意選舉 A 爲領頭，則 A 當選；
- 如果有多個哨兵節點同時參選領頭，此時有可能存在一輪投票無競選者勝出，此時每個參選的節點等待一個隨機時間後再次發起參選請求，進行下一輪投票精選，直至選舉出領頭哨兵；
選出領頭哨兵後，領頭者開始對進行故障恢復，從出現故障的 master 的從數據庫中挑選一個來當選新的 master，選擇規則如下：
- 所有在線的 slave 中選擇優先級最高的，優先級可以通過 slave-priority 配置；
- 如果有多個最高優先級的 slave，則選取複製偏移量最大（即複製越完整）的當選；
- 如果以上條件都一樣，選取 id 最小的 slave；
挑選出需要繼任的 slave 後，領頭哨兵向該節點發送命令，使其升格爲 master，然後再向其他 slave 發送命令接受新的 master，最後更新數據。此外，已經停止的舊的 master 更新爲新的 master 的從數據庫，使其恢復服務後以 slave 的身份繼續運行。
優點：
- Master 狀態監測
- 如果 Master 異常，則會進行 Master-slave 轉換，將其中一個 Slave 作爲 Master，將之前的 Master 作爲 Slave；
- Master-Slave 切換後，master_redis.conf、slave_redis.conf 和sentinel.conf 的內容都會發生改變，即 master_redis.conf 中會多一行 slaveof 的配置，sentinel.conf 的監控目標會隨之調換；
缺點：
- 如果是從節點下線了，sentinel 是不會對其進行故障轉移的，連接從節點的客戶端也無法獲取到新的可用從節點；
- 無法實現動態擴容；
5.3 集羣模式
5.3.1 Redis 集羣結構
Redis 集羣模式如下圖所示，每一個藍色的圈都代表着一個 redis 的服務器節點，它們任何兩個節點之間都是相互連通的，每一個節點都存有這個集羣所有主節點以及從節點的信息。客戶端可以與任何一個節點相連接，然後就可以訪問集羣中的任何一個節點。對其進行存取和其他操作。
一般集羣建議搭建三主三從架構，三主提供服務，三從提供備份功能。
5.3.2 集羣投票機制
Redis 節點之間通過互相的 ping-pong 判斷是否節點可以連接上。如果有一半以上的節點去 ping 一個節點的時候沒有迴應，集羣就認爲這個節點宕機了，然後去連接它的備用節點。這就是 Redis 的投票機制，具體原理如下圖所示：
投票過程是集羣中所有 master 參與，如果半數以上 master 節點與某個 master 節點通信超時 (cluster-node-timeout)，認爲該 master 節點掛掉。
整個集羣不可用的判斷條件：
- 如果集羣任意 master 掛掉，且當前 master 沒有 slave，這樣該 master 無法轉移，則集羣進入 FAIL 狀態；
- 也可以理解成集羣的 slot 映射 [0-16383] 不完整時進入 FAIL 狀態；
- 如果集羣超過半數以上 master 掛掉，無論是否有 slave，集羣進入 FAIL 狀態.
5.3.3 Redis 集羣插槽分配
在集羣模式下，通過 cluster info 命令可以查看集羣的信息，包括每個 Redis 節點的 ID、IP+端口、身份 (master/slave)、連接數量、分配插槽 (slot) 信息。
以執行命令 set abc 123 爲例，Redis 將數據存到集羣中的步驟如下：
- 客戶端發送命令
set abc 123，某個 Redis 節點接收到命令； - 通過方法
key(“abc”)計算出 slot 值，根據 slot 值找到對應的 Redis 節點；- “abc” 的 slot 值爲 7638；
- 重定向到該 Redis 節點，執行命令；
注：插槽與 key 的關係：
key 的有效部分使用 CRC16 算法，計算出 Hash 值，然後對 16384 取餘獲得 slot 值。有效部分指：
- key 值中有大括號 {} 的情況：例如
key={hello}_grq中的 “hello”；- 如果沒有大括號，則整個 key 都是有效部分；
5.3.4 Redis slot 重分配
Redis 集羣提供了 16384 個 slot，通過 Ruby 腳本 redis-trib.rb 實現 slot 平均分配給 N 個 master 節點。如果有一部分 slot 沒有指定到節點，那麼分配在這部分 slot 上的 key 值將不能使用。
但如果向集羣中加入新的 master 節點，或者將某個 master 節點刪除，則需要通過執行 redis-trib.rb 腳本實現 slot 的重分配。
5.3.4.1 新增節點
新增節點後，實現 slot 重分配的步驟如下：
- 執行 ruby 腳本
redis-trib.rb add-node {待添加節點 IP + 端口}；- 添加成功後，新添加的節點沒有被分配 slot；
- 執行
redis-trib reshard + {待分配目的節點}腳本命令，執行重分配操作；命令執行過程中，輸入要移動的 slot 數、待分配目的節點 ID，以及從哪裏分配節點（如果寫 “all”，則將所有 master 節點的部分 slot 共同分配給該節點）； - 執行完畢；
5.3.4.2 刪除節點
刪除節點實現 slot 重分配步驟如下：
- 用 ruby 腳本將待刪除節點的 slot 分配給其他 master 節點；
- 執行 ruby 腳本命令
redis-trib.rb del-node {待刪除節點 IP + 端口} {待刪除節點 ID}； - 執行完畢；
5.3.5 Redis 集羣注意事項
- 多件命令操作（如 MGET, MSET），如果每一個 Key 都位於同一個節點，則可以正常支持，否則會提示錯誤；