Redis初探（6）——Redis集群

之前我们所学习的都是Redis的单机版，我们知道Redis之所以读取速度快是因为它是存储在内存中的。

内存的容量是有限的，单台Redis会碰到性能瓶颈，这就需要使用Redis集群（Redis-cluster）。

一、集群原理

1.1 集群架构

如上图所示，每一个蓝色圆圈就是一个Redis节点，这些节点组成了一个Redis集群（Redis-cluster）。

节点之间使用Ping——Pong机制进行互联，其内部用二进制协议优化传输速度和带宽。

Redis客户端和节点直接连接即可，无需中间件，一台客户端连接一个节点即可。

Client访问时直接访问任意一个Redis节点即可。

1.2 负载均衡

当我们搭建了集群后，其是如何实现负载均衡的呢？

Redis集群中内置了16384个哈希槽（slot），它会把所有的物理节点都映射到[0,16383]的slot上。

当我们需要在Redis集群中放置了个key-value时，Redis先对key使用crc16算法得出一个结果，然后将结果对16384取余，这样每一个key都会对应一个编号在0~16383的哈希槽。

Redis会根据节点数量大致均等的将哈希槽映射到不同的节点。例如我们有三个节点，其每个节点哈希槽范围为：0~5000，5001~10000，10001~16383。

当我们存储一个名为Hello1的ley时，其通过crc16算法计算出的结果为1500，Redis集群就会将这个key放在对应1500的哈希槽中，又因为哈希槽0~5000被映射到了Server1，则Hello1就被放置在了Server1。

1.3 容错机制

通过上面的负载均衡的原理，知道其实每一台 Redis客户端保存的内容都是不一样的，那么当Redis集群中任意一个节点挂掉（连接失败）时，整个集群就挂了。

为了实现Redis的高可用，需要为每一个节点添加备用机，即主备机制。

一般集群都有集群管理工具，但是Redis集群没有，它是通过投票机制来实现的。

以下图为例简单说一下投票机制：

1. 当黄色节点发现无法ping通红色节点，它就觉得红色节点可能挂掉了，于是它会发起投票。
2. 其他节点会尝试去ping红色节点，只要有超过半数的节点无法ping通红色节点，就判定红色节点挂掉（即使它实际上可能并没有挂掉）。
3. 当红色节点被判定挂掉后，会启动该节点的备用机。如果该节点不存在备用机，或备用机也挂掉，那么整个Redis集群就挂掉了。

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二、搭建集群

Redis集群为了实现容错机制，最少需要三个节点（一个出错，另外两个投票），又因为每个节点至少要有一台备份机，因此一个最简单的Redis集群需要6个Redis客户端。

这里只是演示一下，使用伪集群，即6台Redis搭建在一台Linux上，仅使用端口号进行区分，设端口号范围为7001~7006。

2.1 准备原始Redis

注：Redis初探（1）——Redis的安装这篇文章中源码和安装后的文件是在同一文件夹下，本篇文章不使用这种方法。

准备一个Redis安装包，将源码解压到当前文件夹：

wxs@ubuntu:~$ ls
Desktop  redis-4.0.8.tar.gz
wxs@ubuntu:~$ tar zxvf redis-4.0.8.tar.gz 

进入解压后文件夹，执行make编译：

wxs@ubuntu:~$ cd redis-4.0.8/
wxs@ubuntu:~/redis-4.0.8$ make

注：所有源码安装需要自行编译的都需要gcc、g++等相关软件支持

将其安装到/usr/local/redis目录下：

wxs@ubuntu:~/redis-4.0.8$ sudo make install PREFIX=/usr/local/redis

该目录下只有一个bin目录，存放redis的可执行文件，我们从源码包中拷贝一份redis配置文件过来：

wxs@ubuntu:/usr/local/redis$ ls
bin
wxs@ubuntu:/usr/local/redis$ sudo cp ~/redis-4.0.8/redis.conf .
wxs@ubuntu:/usr/local/redis$ ls
bin  redis.conf

编辑该配置文件：

（1）修改bind端口号为0.0.0.0，使其支持远程访问。

（2）开启后端模式。

（3）设置日志文件位置

（4）开启AOF持久化

2.2 准备Redis集群客户端

注意：用来做集群的客户端必须是干净的客户端，像备份文件dump.rdb、appendonly.aof等应当先删除掉，避免不必要的错误。

在/usr/local中创建redis-cluster文件夹，拷贝六份原始Redis：

wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp -r ../redis redis01
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp -r ../redis redis02
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp -r ../redis redis03
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp -r ../redis redis04
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp -r ../redis redis05
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp -r ../redis redis06
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ ls
redis01  redis02  redis03  redis04  redis05  redis06

以redis01为例，编辑其redis.conf文件：

（1）修改端口号为7001

（2）修改pidfile

（3）开启集群开关

依次修改其他客户端，端口号范围从7001~7006。

编写一个启动这些客户端的批处理startup.sh：

cd redis01/bin
sudo ./redis-server ../redis.conf
cd ../../
cd redis02/bin
sudo ./redis-server ../redis.conf
cd ../../
cd redis03/bin
sudo ./redis-server ../redis.conf
cd ../../
cd redis04/bin
sudo ./redis-server ../redis.conf
cd ../../
cd redis05/bin
sudo ./redis-server ../redis.conf
cd ../../
cd redis06/bin
sudo ./redis-server ../redis.conf
cd ../../

执行脚本，启动成功：

编写一个关闭这些客户端的批处理shutdown.sh：

cd redis01/bin
sudo ./redis-cli -p 7001 shutdown
cd ../../
cd redis02/bin
sudo ./redis-cli -p 7002 shutdown
cd ../../
cd redis03/bin
sudo ./redis-cli -p 7003 shutdown
cd ../../
cd redis04/bin
sudo ./redis-cli -p 7004 shutdown
cd ../../
cd redis05/bin
sudo ./redis-cli -p 7005 shutdown
cd ../../
cd redis06/bin
sudo ./redis-cli -p 7006 shutdown
cd ../../

执行脚本，关闭成功：

目录结构如下：

wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ ls
redis01  redis02  redis03  redis04  redis05  redis06  shutdown.sh  startup.sh

2.3 搭建集群

从redis源码的src目录中拷贝redis-trib.rb过来：

[e-mail]:/usr/local/redis-cluster$ sudo cp ~/redis-4.0.8/src/redis-trib.rb .
[e-mail]:/usr/local/redis-cluster$ ls
redis01  redis03  redis05  redis-trib.rb  startup.sh
redis02  redis04  redis06  shutdown.sh

因为这是一个Ruby文件，需要安装Ruby和Ruby包管理器：

wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo apt-get install ruby rubygems

安装Ruby关于Redis的库,可以执行gem install redis或者前往官网下载安装包后安装。

wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ sudo gem install redis
Fetching: redis-4.0.1.gem (100%)
Successfully installed redis-4.0.1
Parsing documentation for redis-4.0.1
Installing ri documentation for redis-4.0.1
Done installing documentation for redis after 0 seconds
1 gem installed

执行redis-trib.rb时需要附带参数，格式如下：

先启动所有客户端，然后执行脚本：

wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ ./startup.sh 
wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ ./redis-trib.rb create --replicas 1 192.168.30.155:7001 192.168.30.155:7002 192.168.30.155:7003 192.168.30.155:7004 192.168.30.155:7005  192.168.30.155:7006

创建成功：

最后说两句：

1. 如果你不是伪集群，真的在服务器上搭建了集群，即真集群，那么只需要在任意一台上执行redis-trib.rb即可。
2. 在真集群的情况下，除了在配置文件中要bind 0.0.0.0以外，还要注意关闭防火墙，不然无法搭建。
3. 如果关闭所有redis客户端后，想要重新开启集群，在客户端都启动后，进入任意客户端执行cluster nodes即可。
4. 如果想要重新生成集群，需要删除每个Redis中生成的持久化文件。

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三、使用redis-cli连接集群

使用任意一个redis-cli（以redis01的为例），使用-h指定ip地址（默认连接127.0.0.1），使用-p参数指定端口号（默认连接原始的端口为6379的redis），使用-c参数指定是集群（不加会导致无法将key放入对应的客户端中）。

wxs@ubuntu:/usr/local/redis-cluster$ ./redis01/bin/redis-cli -h 192.168.30.155 -p 7001 -c

当我在7001中添加了一个name jitwxs后，它计算出key的哈希槽为5798，这个范围在7002中，因此这个key被移动到了7002中，并且当前连接重定向到了7002。

192.168.30.155:7002> keys *
1) "name"
192.168.30.155:7001> keys *
(empty list or set)