java 分布式缓存 redis持久化 redis主从 Redis哨兵 Redis分片集群

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-- 基于Redis集群解决单机Redis存在的问题

单机的Redis存在四大问题

数据丢失问题 Redis是内存存储服务重启可能会丢失数据

并发能力问题 单节点Redis并发能力虽然不错但也无法满足如618这样的高并发场景

故障恢复问题 如果Redis宕机则服务不可用需要一种自动的故障恢复手段

存储能力问题 Redis基于内存单节点能存储的数据量难以满足海量数据需求

 

1.Redis持久化

Redis有两种持久化方案

  • RDB持久化

  • AOF持久化

1.1.RDB持久化

RDB全称Redis Database Backup fileRedis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。

1.1.1.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停机时

  • 触发RDB条件时

1save命令

2bgsave命令

 

 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

 

1.1.2.RDB原理

 

 

1.2.AOF持久化

1.2.1.AOF原理

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。

1.2.2.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

 

 

1.3.RDB与AOF对比

 

 

2.Redis主从集群

2.1.集群结构 

2.2.准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例必须准备三份不同的配置文件和目录配置文件所在目录也就是工作目录。

1创建目录

我们创建三个文件夹名字分别叫7001、7002、7003

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003

如图

 

2恢复原始配置

修改redis-6.2.4/redis.conf文件将其中的持久化模式改为默认的RDB模式AOF保持关闭状态。

# 开启RDB
# save ""
save 3600 1
save 300 100
save 60 10000
​
# 关闭AOF
appendonly no

 

3拷贝配置文件到每个实例目录

然后将redis-6.2.4/redis.conf文件拷贝到三个目录中在/tmp目录执行下列命令

# 方式一逐个拷贝
cp redis-6.2.4/redis.conf 7001
cp redis-6.2.4/redis.conf 7002
cp redis-6.2.4/redis.conf 7003
# 方式二管道组合命令一键拷贝
echo 7001 7002 7003 | xargs -t -n 1 cp redis-6.2.4/redis.conf

4修改每个实例的端口、工作目录

修改每个文件夹内的配置文件将端口分别修改为7001、7002、7003将rdb文件保存位置都修改为自己所在目录在/tmp目录执行下列命令

sed -i -e 's/6379/7001/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7001\//g' 7001/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7002/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7002\//g' 7002/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7003/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7003\//g' 7003/redis.conf

5修改每个实例的声明IP

虚拟机本身有多个IP为了避免将来混乱我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息格式如下

# redis实例的声明 IP
replica-announce-ip 192.168.150.101

每个目录都要改我们一键完成修改在/tmp目录执行下列命令

# 逐一执行
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7001/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7002/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7003/redis.conf
​
# 或者一键修改
printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' {}/redis.conf

2.3.启动

为了方便查看日志我们打开3个ssh窗口分别启动3个redis实例启动命令

# 第1个
redis-server 7001/redis.conf
# 第2个
redis-server 7002/redis.conf
# 第3个
redis-server 7003/redis.conf

 

如果要一键停止可以运行下面命令

printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown\

2.4.开启主从关系

现在三个实例还没有任何关系要配置主从可以使用replicaof 或者slaveof5.0以前命令。

有临时和永久两种模式

  • 修改配置文件永久生效

    • 在redis.conf中添加一行配置slaveof <masterip> <masterport>

  • 使用redis-cli客户端连接到redis服务执行slaveof命令重启后失效

    <span style="background-color:#f8f8f8">slaveof <masterip> <masterport></span>

注意在5.0以后新增命令replicaof与salveof效果一致。

这里我们为了演示方便使用方式二。

通过redis-cli命令连接7002执行下面命令

# 连接 7002
redis-cli -p 7002
# 执行slaveof
slaveof 192.168.150.101 7001

通过redis-cli命令连接7003执行下面命令

# 连接 7003
redis-cli -p 7003
# 执行slaveof
slaveof 192.168.150.101 7001

然后连接 7001节点查看集群状态

# 连接 7001
redis-cli -p 7001
# 查看状态
info replication

结果

2.5.测试

执行下列操作以测试

  • 利用redis-cli连接7001执行set num 123

  • 利用redis-cli连接7002执行get num再执行set num 666

  • 利用redis-cli连接7003执行get num再执行set num 888

可以发现只有在7001这个master节点上可以执行写操作7002和7003这两个slave节点只能执行读操作。

 2.6.主从同步原理

master如何判断slave是不是第一次来同步数据这里会用到两个很重要的概念 

根据Replication Id来判断是否第一次

增量同步原理

 

2.7.Redis主从集群优化

 

 

 

3.Redis哨兵

3.1.1.集群结构和作用

 

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

3.1.2.集群监控原理

3.1.3.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

  • 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

  • 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。

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给所有其它slave发送slaveof 192.168.150.101 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

 

 

 

3.2.搭建哨兵集群

3.2.准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例必须准备三份不同的配置文件和目录配置文件所在目录也就是工作目录。

我们创建三个文件夹名字分别叫s1、s2、s3

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建目录
mkdir s1 s2 s3

如图

 

 

然后我们在s1目录创建一个sentinel.conf文件添加下面的内容

port 27001
sentinel announce-ip 192.168.150.101
sentinel monitor mymaster 192.168.150.101 7001 2
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
sentinel failover-timeout mymaster 60000
dir "/tmp/s1"

解读

  • port 27001是当前sentinel实例的端口

  • sentinel monitor mymaster 192.168.150.101 7001 2指定主节点信息

    • mymaster主节点名称自定义任意写

    • 192.168.150.101 7001主节点的ip和端口

    • 2选举master时的quorum值超过quorum数量的时候认为客观下线

然后将s1/sentinel.conf文件拷贝到s2、s3两个目录中在/tmp目录执行下列命令

# 方式一逐个拷贝
cp s1/sentinel.conf s2
cp s1/sentinel.conf s3
# 方式二管道组合命令一键拷贝
echo s2 s3 | xargs -t -n 1 cp s1/sentinel.conf

修改s2、s3两个文件夹内的配置文件将端口分别修改为27002、27003

sed -i -e 's/27001/27002/g' -e 's/s1/s2/g' s2/sentinel.conf
sed -i -e 's/27001/27003/g' -e 's/s1/s3/g' s3/sentinel.conf

3.3.启动

为了方便查看日志我们打开3个ssh窗口分别启动3个redis实例启动命令

# 第1个
redis-sentinel s1/sentinel.conf
# 第2个
redis-sentinel s2/sentinel.conf
# 第3个
redis-sentinel s3/sentinel.conf

3.4.测试

 

 

3.3.RedisTemplate的哨兵模式

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。 我们引入课前资料提供的Demo工程

3.3.2.引入依赖

在项目的pom文件中引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

3.3.3.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:
    sentinel:
      master: mymaster
      nodes:
        - 192.168.150.101:27001
        - 192.168.150.101:27002
        - 192.168.150.101:27003

3.3.4.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slavereplica节点读取

  • REPLICA _PREFERRED优先从slavereplica节点读取所有的slave都不可用才读取master

4.Redis分片集群

4.1.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。但是依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

 

4.2.准备实例和配置

删除之前的7001、7002、7003这几个目录重新创建出7001、7002、7003、8001、8002、8003目录

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 删除旧的避免配置干扰
rm -rf 7001 7002 7003
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003 8001 8002 8003

在/tmp下准备一个新的redis.conf文件内容如下

port 6379
# 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 /tmp/6379/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 /tmp/6379
# 绑定地址
bind 0.0.0.0
# 让redis后台运行
daemonize yes
# 注册的实例ip
replica-announce-ip 192.168.150.101
# 保护模式
protected-mode no
# 数据库数量
databases 1
# 日志
logfile /tmp/6379/run.log

将这个文件拷贝到每个目录下

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 执行拷贝
echo 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -t -n 1 cp redis.conf

 

修改每个目录下的redis.conf将其中的6379修改为与所在目录一致

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 修改配置文件
printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t sed -i 's/6379/{}/g' {}/redis.conf

4.3.启动

因为已经配置了后台启动模式所以可以直接启动服务

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 一键启动所有服务
printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t redis-server {}/redis.conf

通过ps查看状态

ps -ef | grep redis

发现服务都已经正常启动

如果要关闭所有进程可以执行命令

ps -ef | grep redis | awk '{print $2}' | xargs kill

或者推荐这种方式

printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown

4.4.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。

1Redis5.0之前

Redis5.0之前集群命令都是用redis安装包下的src/redis-trib.rb来实现的。因为redis-trib.rb是有ruby语言编写的所以需要安装ruby环境。

# 安装依赖
yum -y install zlib ruby rubygems
gem install redis

然后通过命令来管理集群

# 进入redis的src目录
cd /tmp/redis-6.2.4/src
# 创建集群
./redis-trib.rb create --replicas 1 192.168.150.101:7001 192.168.150.101:7002 192.168.150.101:7003 192.168.150.101:8001 192.168.150.101:8002 192.168.150.101:8003

2Redis5.0以后

我们使用的是Redis6.2.4版本集群管理以及集成到了redis-cli中格式如下

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.150.101:7001 192.168.150.101:7002 192.168.150.101:7003 192.168.150.101:8001 192.168.150.101:8002 192.168.150.101:8003

命令说明

  • redis-cli --cluster或者./redis-trib.rb代表集群操作命令

  • create代表是创建集群

  • --replicas 1或者--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

运行后的样子

 

 

通过命令可以查看集群状态

redis-cli -p 7001 cluster nodes

4.5.测试

 

集群操作时需要给redis-cli加上-c参数才可以

redis-cli -c -p 7001

这次可以了

 

4.2.散列插槽

4.2.1.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103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

4.2.1.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

4.3.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

 

4.3.1.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7004

  • 添加7004到之前的集群并作为一个master节点

  • 给7004节点分配插槽使得num这个key可以存储到7004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

 

4.3.2.创建新的redis实例

创建一个文件夹

mkdir 7004

拷贝配置文件

cp redis.conf /7004

修改配置文件

sed /s/6379/7004/g 7004/redis.conf

启动

redis-server 7004/redis.conf

4.3.3.添加新节点到redis

 

执行命令

redis-cli --cluster add-node  192.168.150.101:7004 192.168.150.101:7001

通过命令查看集群状态

redis-cli -p 7001 cluster nodes

如图7004加入了集群并且默认是一个master节点

但是可以看到7004节点的插槽数量为0因此没有任何数据可以存储到7004上  

4.3.4.转移插槽

我们要将num存储到7004节点因此需要先看看num的插槽是多少

 

 

 

 

 

4.4.故障转移

4.4.1.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7002

redis-cli -p 7002 shutdown

4.4.2.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

 

4.5.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:
    cluster:
      nodes:
        - 192.168.150.101:7001
        - 192.168.150.101:7002
        - 192.168.150.101:7003
        - 192.168.150.101:8001
        - 192.168.150.101:8002
        - 192.168.150.101:8003

 

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