Redis(三)

高级篇

1-4为分布式缓存，5-9为多级缓存

1.Rdis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(Redis Database Backup file)（Redis数据备份文件），也叫做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

  1. 执行save命令

    image-20210725144536958

    save命令会导致主进程执行RDB，这个过程中其它所有命令都会被阻塞。只有在数据迁移时可能用到。

  2. 执行bgsave命令

    image-20210725144725943

    这个命令执行后会开启独立进程完成RDB，主进程可以持续处理用户请求，不受影响。

  3. Redis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条件时

    Redis内部有触发RDB的机制，在redis.conf文件中

    # 900秒内，如果至少有1个key被修改，则执行bgsave ， 如果是save "" 则表示禁用RDB
save 900 1  
save 300 10  
save 60 10000

    RDB的其它配置也可以在redis.conf文件中设置：

    # 是否压缩 ,建议不开启，压缩也会消耗cpu，磁盘的话不值钱
rdbcompression yes
# RDB文件名称
dbfilename dump.rdb  
# 文件保存的路径目录
dir ./

1.1.2.RDB原理

bgsave开始时会fork主进程得到子进程，子进程共享主进程的内存数据。完成fork后读取内存数据并写入 RDB 文件。

fork采用的是copy-on-write技术

  • 当主进程执行读操作时，访问共享内存
  • 当主进程执行写操作时，则会拷贝一份数据，执行写操作

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1.2.AOF持久化

AOF(Append Only File)（追加文件）

1.2.1.AOF原理

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。

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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

# 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

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1.2.3.AOF文件重写

AOF文件会比RDB文件大的多。而且AOF会记录对同一个key的多次写操作，但只有最后一次写操作才有意义。通过执行bgrewriteaof命令，可以让AOF文件执行重写功能，用最少的命令达到相同效果。

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如图，AOF原本有三个命令，但是set num 123 和 set num 666都是对num的操作，第二次会覆盖第一次的值，因此第一个命令记录下来没有意义。

所以重写命令后，AOF文件内容就是：mset name jack num 666

Redis也会在触发阈值时自动去重写AOF文件。阈值也可以在redis.conf中配置：

# AOF文件比上次文件 增长超过多少百分比则触发重写
auto-aof-rewrite-percentage 100
# AOF文件体积最小多大以上才触发重写 
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

1.3.RDB与AOF对比

RDB和AOF各有自己的优缺点，如果对数据安全性要求较高，在实际开发中往往会结合两者来使用。

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2.Redis主从

2.1.搭建主从架构

2.1.1.集群结构

单节点Redis的并发能力是有上限的，要进一步提高Redis的并发能力，就需要搭建主从集群，实现读写分离。

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一个主节点，两个从节点。

这里在同一台虚拟机中开启3个redis实例，模拟主从集群

IP PORT 角色
虚拟机ip 7001 master
虚拟机ip 7002 slave
虚拟机ip 7003 slave

2.1.2.准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例，先准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录。

1.创建目录

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

2.拷贝配置文件到每个实例目录

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

3.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

4.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(在/tmp目录执行下列命令)

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

2.1.3.启动

为了方便查看日志，打开3个ssh窗口，分别启动3个redis实例

# 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

使用replicaof或者slaveof（5.0以前）命令配置主从。

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 <虚拟机ip> <端口号>

  • 使用redis-cli客户端连接到redis服务，执行slaveof命令（重启后失效）

    slaveof <虚拟机ip> <端口号>

演示

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 虚拟机ip 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 虚拟机ip 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

2.2.主从数据同步原理

2.2.1.全量同步

主从第一次建立连接时，会执行全量同步，将master节点的所有数据都拷贝给slave节点

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如何判断是第一次连接

  • Replication Id：简称replid，是数据集的标记，id一致则说明是同一数据集。每一个master都有唯一的replid，slave则会继承master节点的replid
  • offset：偏移量，随着记录在repl_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步时也会记录当前同步的offset。如果slave的offset小于master的offset，说明slave数据落后于master，需要更新。

因此，master判断一个节点是否是第一次同步的依据，就是看replid是否一致。

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2.2.2.增量同步

全量同步需要先做RDB，然后将RDB文件通过网络传输个slave，成本太高了。因此除了第一次做全量同步，其它大多数时候slave与master都是做增量同步。

就是只更新slave与master存在差异的部分数据。

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2.2.3.repl_backlog原理

master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?

repl_baklog文件是一个固定大小的数组，只不过数组是环形，也就是说角标到达数组末尾后，会再次从0开始读写，这样数组头部的数据就会被覆盖。

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slave与master的offset之间的差异，就是salve需要增量拷贝的数据了。

如果slave出现网络阻塞，导致master的offset已经覆盖了slave的offset，并且把master的offset也覆盖了

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棕色框中的红色部分，就是尚未同步，但是却已经被覆盖的数据。此时如果slave恢复，需要同步，却发现自己的offset都没有了，无法完成增量同步了。只能做全量同步。

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3.Redis哨兵

Redis提供了哨兵（Sentinel）机制来实现主从集群的自动故障恢复。

3.1.哨兵原理

3.1.1.集群结构和作用

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哨兵的作用

  • 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

Sentinel基于心跳机制监测服务状态，每隔1秒向集群的每个实例发送ping命令

  • 如果某sentinel节点发现某实例未在规定时间响应，则认为该实例主观下线。
  • 若超过指定数量（quorum）的sentinel都认为该实例主观下线，则该实例客观下线。

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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

  • 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
  • 最后判断slave节点的运行id大小，越小优先级越高。

实现切换master流程

  • sentinel给备选的slave1节点发送slaveof noone命令，让该节点成为master
  • sentinel给所有其它slave发送slaveof 虚拟机ip 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

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3.2.搭建哨兵集群

3.2.1.集群结构

搭建一个三节点形成的Sentinel集群，来监管之前的Redis主从集群

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三个sentinel实例信息

节点 IP PORT
s1 虚拟机ip 27001
s2 虚拟机ip 27002
s3 虚拟机ip 27003

3.2.2.准备实例和配置

先准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录。

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

然后在s1目录创建一个sentinel.conf文件，添加内容

port 27001 :当前sentinel实例的端口
sentinel announce-ip 虚拟机ip
sentinel monitor mymaster 虚拟机ip 7001 2 :mymaster：主节点名称，自定义 :2：选举master时的quorum值
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000 :指定主节点信息
sentinel failover-timeout mymaster 60000
dir "/tmp/s1"

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

3.2.3.启动

分别启动3个redis实例

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

3.3.RedisTemplate

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。

下面，我们通过一个测试来实现RedisTemplate集成哨兵机制。

3.3.1.引入依赖

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

3.3.2.配置Redis地址

spring:
  redis:
    sentinel:
      master: mymaster
      nodes:
        - 节点1ip地址:端口号
        - 节点2ip地址:端口号
        - 节点3ip地址:端口号

3.3.3.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);
    //这个枚举中有四种策略
    //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slave（replica）节点读取
    //REPLICA _PREFERRED：优先从slave（replica）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

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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

4.1.1.集群结构

分片集群需要的节点数量较多，这里搭建一个最小的分片集群，包含3个master节点，每个master包含一个slave节点

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在同一台虚拟机中开启6个redis实例，模拟分片集群

IP PORT 角色
虚拟机ip 7001 master
虚拟机ip 7002 master
虚拟机ip 7003 master
虚拟机ip 8001 slave
虚拟机ip 8002 slave
虚拟机ip 8003 slave

4.1.2.准备实例和配置

删除之前的目录，重新创建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 虚拟机ip
# 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

4.1.3.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

4.1.4.创建集群

集群管理以及集成到了redis-cli

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 虚拟机ip:7001 虚拟机ip:7002 虚拟机ip:7003 虚拟机ip:8001 虚拟机ip:8002 虚拟机ip:8003

命令说明：

  • redis-cli --cluster：集群操作命令
  • create：代表是创建集群
  • --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

image-20210702181101969

输入yes，集群开始创建

image-20210702181215705

通过命令可以查看集群状态：

redis-cli -p 7001 cluster nodes

image-20210702181922809

4.1.5.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

4.2.散列插槽

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。

image-20210725155850200

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

4.3.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：

image-20210725160138290

4.3.1.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

4.3.2.添加新节点到redis

redis-cli --cluster add-node  新增虚拟机ip:7004 要加入到的虚拟机ip:7001

4.3.3.转移插槽

建立连接

image-20210725161506241

移动多少个插槽

image-20210725161637152

那个node来接收这些插槽

image-20210725161817642

插槽从哪里移动过来

  • all：代表全部，也就是三个节点各转移一部分
  • 具体的id：目标节点的id
  • done：没有了

image-20210725162101228

确认要转移

然后，通过命令查看结果

image-20210725162145497

image-20210725162224058

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

直接停止一个redis实例，例如7002：

redis-cli -p 7002 shutdown

1.首先是该实例与其它实例失去连接

2.然后是疑似宕机

image-20210725162319490

3.最后是确定下线，自动提升一个slave为新的master

image-20210725162408979

4.当7002再次启动，就会变为一个slave节点了

image-20210727160803386

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。

image-20210725162441407

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

案例需求：在7002这个slave节点执行手动故障转移，重新夺回master地位

步骤如下

  1. 利用redis-cli连接7002这个节点
  2. 执行cluster failover命令

image-20210727160037766

效果

image-20210727161152065

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

spring:
  redis:
    cluster:
      nodes:
        - 虚拟机ip1:端口号
        - 虚拟机ip2:端口号
        - 虚拟机ip3:端口号
        - 虚拟机ip4:端口号
        - 虚拟机ip5:端口号
        - 虚拟机ip6:端口号
posted @ 2023-06-15 11:16  22-10-21  阅读(43)  评论(0)    收藏  举报