談談Redis四種工作模式

前言

Redis有多種模式：單機模式（Single）、主從模式(Master-Slave)、哨兵模式(Sentinel)、集羣模式（Cluster），在實際開發過程根據業務以及場景都會使用，下面主要對這幾種模式進行解剖。

單機模式

安裝redis的服務端，服務啓動，供給業務調用即可。

單機在很多場景也是有使用的，例如在一個並非必須保證高可用的情況下。

單機模式優缺點

優點如下：

• 佈署簡單，0成本;
• 成本低，沒有備用節點，不需要其他的開支;
• 高性能，單機不需要同步數據，數據天然一致性;

缺點如下：

• 可靠性保證不是很好，單節點有宕機的風險;
• 單機高性能受限於CPU的處理能力，redis是單線程的;

主從模式

主從複製原理

• 從服務器連接主服務器，發送SYNC命令;
• 主服務器接收到SYNC命令後，開始執行BGSAVE命令生成RDB文件並使用緩衝區記錄此後執行的所有寫命令；
• 主服務器BGSAVE執行完後，向所有從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
• 從服務器收到快照文件後丟棄所有舊數據，載入收到的快照;
• 主服務器快照發送完畢後開始向從服務器發送緩衝區中的寫命令;
• 從服務器完成對快照的載入，開始接收命令請求，並執行來自主服務器緩衝區的寫命令；（從服務器初始化完成）
• 主服務器每執行一個寫命令就會向從服務器發送相同的寫命令，從服務器接收並執行收到的寫命令（從服務器初始化完成後的操作）

從主模式優缺點

優點如下：

• 支持主從複製，主機會自動將數據同步到從機，可以進行讀寫分離;
• 減輕Master服務器的讀操作壓力，Slave服務器可以爲客戶端提供只讀操作的服務，寫服務仍然必須由Master來完成;
• Slave同樣可以接受其它Slaves的連接和同步請求，這樣可以有效的分載Master的同步壓力;
• Master Server是以非阻塞的方式爲Slaves提供服務,所以在Master-Slave同步期間，客戶端仍然可以提交查詢或修改請求；
• Slave Server同樣是以非阻塞的方式完成數據同步,在同步期間，如果有客戶端提交查詢請求，Redis則返回同步之前的數據;
• 高可用基石：除了上述作用以外，主從複製還是哨兵模式和集羣模式能夠實施的基礎，因此說主從複製是Redis高可用的基石。

缺點如下：

• Redis不具備自動容錯和恢復功能，主機從機的宕機都會導致前端部分讀寫請求失敗，需要等待機器重啓或者手動切換前端的IP才能恢復。
• 主機宕機，宕機前有部分數據未能及時同步到從機，切換IP後還會引入數據不一致的問題，降低了系統的可用性。
• Redis較難支持在線擴容，在集羣容量達到上限時在線擴容會變得很複雜。

哨兵模式

當主服務器中斷服務後，可以將一個從服務器升級爲主服務器，以便繼續提供服務，但是這個過程需要人工手動來操作。 爲此，Redis 2.8+版本中提供了哨兵工具來實現自動化的系統監控和故障恢復功能。

哨兵的作用就是監控Redis系統的運行狀況。它的功能包括以下兩個。

• 監控主服務器和從服務器是否正常運行;
• 主服務器出現故障時自動將從服務器轉換爲主服務器；

哨兵工作方式

• 每個Sentinel（哨兵）進程以每秒鐘一次的頻率向整個集羣中的Master主服務器，Slave從服務器以及其他Sentinel（哨兵）進程發送一個 PING 命令。

• 如果一個實例（instance）距離最後一次有效回覆 PING 命令的時間超過 down-after-milliseconds 選項所指定的值， 則這個實例會被 Sentinel（哨兵）進程標記爲主觀下線（SDOWN）

• 如果一個Master主服務器被標記爲主觀下線（SDOWN），則正在監視這個Master主服務器的所有 Sentinel（哨兵）進程要以每秒一次的頻率確認Master主服務器的確進入了主觀下線狀態

• 當有足夠數量的 Sentinel（哨兵）進程（大於等於配置文件指定的值）在指定的時間範圍內確認Master主服務器進入了主觀下線狀態（SDOWN）， 則Master主服務器會被標記爲客觀下線（ODOWN）

• 在一般情況下， 每個 Sentinel（哨兵）進程會以每 10 秒一次的頻率向集羣中的所有Master主服務器、Slave從服務器發送 INFO 命令。

• 當Master主服務器被 Sentinel（哨兵）進程標記爲客觀下線（ODOWN）時，Sentinel（哨兵）進程向下線的 Master主服務器的所有 Slave從服務器發送 INFO 命令的頻率會從 10 秒一次改爲每秒一次。

• 若沒有足夠數量的 Sentinel（哨兵）進程同意 Master主服務器下線， Master主服務器的客觀下線狀態就會被移除。若 Master主服務器重新向 Sentinel（哨兵）進程發送 PING 命令返回有效回覆，Master主服務器的主觀下線狀態就會被移除。

哨兵模式優缺點

優點如下：

• 哨兵模式是基於主從模式的，所有主從的優點，哨兵模式都具有；
• 主從可以自動切換，系統更健壯，可用性更高；

缺點如下：

• Redis較難支持在線擴容，在集羣容量達到上限時在線擴容會變得很複雜；

集羣模式

Redis的哨兵模式基本已經可以實現高可用，讀寫分離 ，但是在這種模式下每臺redis服務器都存儲相同的數據，很浪費內存，所以在Redis3.0上加入了cluster模式，實現的Redis的分佈式存儲，也就是說每臺redis節點上存儲不同的內容.

Redis Cluster 集羣模式具有 高可用、可擴展性、分佈式、容錯 等特性。採用無中心結構，有如下特點：

• 所有的Redis節點彼此互聯(PING-PONG機制),內部使用二進制協議優化傳輸速度和帶寬；
• 節點的fail是通過集羣中超過半數的節點檢測失效時才生效;
• 客戶端與redis節點直連,不需要中間代理層.客戶端不需要連接集羣所有節點,連接集羣中任何一個可用節點即可;

Cluster集羣模式原理

• 通過數據分片的方式來進行數據共享問題，同時提供數據複製和故障轉移功能；
• 之前的兩種模式數據都是在一個節點上的，單個節點存儲是存在上限的。集羣模式就是把數據進行分片存儲，當一個分片數據達到上限的時候，就分成多個分片。

Cluster集羣模式工作方式

在Redis的每一個節點上，都有這麼兩個東西，一個是插槽（slot），它的的取值範圍是：0-16383。還有一個就是cluster，可以理解爲是一個集羣管理的插件。當我們的存取的key到達的時候，Redis會根據crc16的算法得出一個結果，然後把結果對 16384 求餘數，這樣每個 key 都會對應一個編號在 0-16383 之間的哈希槽，通過這個值，去找到對應的插槽所對應的節點，然後直接自動跳轉到這個對應的節點上進行存取操作。

爲了保證高可用，redis-cluster集羣引入了主從模式，一個主節點對應一個或者多個從節點，當主節點宕機的時候，就會啓用從節點。當其它主節點ping一個主節點A時，如果半數以上的主節點與A通信超時，那麼認爲主節點A宕機了。如果主節點A和它的從節點A1都宕機了，那麼該集羣就無法再提供服務了。

數據分片

集羣的鍵空間被分割爲16384個slots（即hash槽），通過hash的方式將數據分到不同的分片上的。即

HASH_SLOT = CRC16(key) & 16384

說明: CRC16是一種循環校驗算法，這裏用了位運算得到取模結果，位運算的效率高於取模運算。

數據查詢與水平擴展

數據查詢

讀請求分配給slave節點，寫請求分配給master，數據同步從master到slave節點。讀寫分離提高併發能力，增加高性能。

水平擴展

master節點可以做擴充，數據遷移redis內部自動完成。當你新增一個master節點，需要做數據遷移，redis服務不需要下線。 舉個栗子：假設有三個master節點，意味着redis的槽被分爲三個段，假設三段分別是0-7000，7001-12000、12001~16383。 現在因爲業務需要新增了一個master節點，四個節點共同佔有16384個槽。槽需要重新分配，數據也需要重新遷移，但是服務不需要下線。redis集羣的重新分片由redis內部的管理軟件redis-trib負責執行。redis提供了進行重新分片的所有命令，redis-trib通過向節點發送命令來進行重新分片。

總結

每種模式都有各自的優缺點，在實際使用場景中要根據業務特點去選擇合適的模式。