Redis Cluster数据分片实现原理、及请求路由实现

Redis在3.0上加入了 Cluster 集群模式，实现了 Redis 的分布式存储，也就是说每台 Redis 节点上存储不同的数据。但redis cluster发布得比较晚(2015年才发布)，在这期间各个大厂在redis主从模式上开发了自己的集群，想进一步详细了请参考：聊聊Redis的各种集群方案、及优缺点对比。

Redis Cluster模式为了解决单机Redis容量有限的问题，将数据按一定的规则分配到多台机器，内存/QPS不受限于单机，可受益于分布式集群高扩展性。Redis Cluster是一种服务器Sharding技术(分片和路由都是在服务端实现)，采用多主多从，每一个分区都是由一个Redis主机和多个从机组成，片区和片区之间是相互平行的。Redis Cluster集群采用了P2P的模式，完全去中心化。

如上图，官方推荐，集群部署至少要 3 台以上的master节点，最好使用 3 主 3 从六个节点的模式。Redis Cluster集群具有如下几个特点：

• 集群完全去中心化，采用多主多从；所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制)，内部使用二进制协议优化传输速度和带宽。

• 客户端与 Redis 节点直连，不需要中间代理层。客户端不需要连接集群所有节点，连接集群中任何一个可用节点即可。

• 每一个分区都是由一个Redis主机和多个从机组成，片区和片区之间是相互平行的。

• 每一个master节点负责维护一部分槽，以及槽所映射的键值数据。

redis cluster主要是针对海量数据+高并发+高可用的场景，海量数据，如果你的数据量很大，那么建议就用redis cluster，数据量不是很大时，使用sentinel就够了。redis cluster的性能和高可用性均优于哨兵模式。

1.分片机制-虚拟槽

Redis Cluster采用虚拟哈希槽分区而非一致性hash算法，预先分配16384(2^14)个卡槽，所有的键根据哈希函数映射到 0 ~ 16383整数槽内，每一个分区内的master节点负责维护一部分槽以及槽所映射的键值数据。

#key到hash槽映射算法：对每个key计算CRC16值，然后对16384取模
计算公式：slot = CRC16(key) & 16383

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这种结构很容易添加或者删除节点，并且无论是添加删除或者修改某一个节点，都不会造成集群不可用的状态。使用哈希槽的好处就在于可以方便的添加 或 移除节点，当添加或移除节点时，只需要移动对应槽和数据移动到对应节点就行。

需要注意的是：

• (1) hash卡槽只会分配给每个片区的主节点上，从节点不会分配卡槽，从节点会同步master上的hash槽。

• (2)每个hash卡槽可以存放多个Key，每一个数据key对应一个hash槽。

• (3)hash卡槽的目的是确认数据存放到哪个片区的Redis主节点上，实现Redis集群分摊Key。

• (4) 每个片区的Redis主节点卡槽数都对应一个范围，多个片区之间卡槽数范围是等比分配的。比如：存在3个片区对应3个Redis主机，那么3个Redis主机的卡槽总数分别是：16384/3。3个Redis主机的卡槽范围分别是：

        第一台Redis主机：0~5461

        第二台Redis主机：5462 ~ 10922

        第三台Redis主机：10923~16383

• (5)写操作时，会根据Key值计算出对应的卡槽所在的位置，再将数据存入卡槽区对应的master中；读数据也是一样，通过key得到slot，再通过slot找到node获取数据（客户端读请求是打到任意节点上的，当请求的数据没有在接受请求的node上时，会出现重定向，后面有详细讲解）。

• (6)Redis Cluster的节点之间会共享消息，每个节点都会知道是哪个节点负责哪个范围内的数据槽。所以客服端请求任意一个节点，都能获取到slot对应的node信息。

Redis 虚拟槽分区的特点：

• 解耦数据和节点之间的关系，简化了节点扩容和收缩难度。

• 节点自身维护槽的映射关系，不需要客户端 或 代理服务维护数据分片关系。

• Redis Cluster的节点之间会共享消息，每个节点都知道另外节点负责管理的槽范围。每个节点只能对自己负责的槽进行维护 和 读写操作。

#面试题：
#1.redis cluster为什么没有使用一致性hash算法，而是使用了哈希槽预分片？
    缓存热点问题：一致性哈希算法在节点太少时，容易因为数据分布不均匀而造成缓存热点的问题。一致性哈希算法可能集中在某个hash区间内的值特别多，会导致大量的数据涌入同一个节点，造成master的热点问题(如同一时间20W的请求都在某个hash区间内)。

#2.redis的hash槽为什么是16384(2^14)个卡槽，而不是65536(2^16)个？
（1）如果槽位为65536，发送心跳信息的消息头达8k，发送的心跳包过于庞大。
（2）redis的集群主节点数量基本不可能超过1000个。
	集群节点越多，心跳包的消息体内携带的数据越多。如果节点过1000个，也会导致网络拥堵。因此redis作者，不建议redis cluster节点数量超过1000个。 那么，对于节点数在1000以内的redis cluster集群，16384个槽位够用了。没有必要拓展到65536个。
（3）槽位越小，节点少的情况下，压缩率高。

集群配置：

#1.redis cluster的集群模式可以部分提供服务，当redis.conf的配置cluster-require-full-coverage为no时，表示当一个小主从整体挂掉的时候集群也可以用，也是说0-16383个槽位中，落在该主从对应的slots上面的key是用不了的，但key落在其他的范围是仍然可用的。

#2.在cluster架构下，默认的，一般redis-master用于接收读写，而redis-slave则用于备份，当有请求是在向slave发起时，会直接重定向到对应key所在的master来处理。但如果不介意读取的是redis-cluster中有可能过期的数据并且对写请求不感兴趣时，则亦可通过readonly命令，将slave设置成可读，然后通过slave获取相关的key，达到读写分离。

#3.redis-cluster 不可用的情况
（1）集群主库半数宕机（无论是否从库存活）。
（2）集群某一节点的主从全数宕机。

2.Redis cluster伸缩的原理

Redis集群中的每个node(节点)负责分摊这16384个slot中的一部分，也就是说，每个slot都对应一个node负责处理。当动态添加或减少node节点时，只需要将16384个槽做个再分配，将槽中的键值和对应的数据迁移到对应的节点上。redis cluster提供了灵活的节点扩容和收缩方案。在不影响集群对外服务的情况下，可以为集群添加节点进行扩容，也可以下线部分节点进行缩容。可以说，槽是 Redis 集群管理数据的基本单位，集群伸缩就是槽和数据在节点之间的移动。

(1)集群扩容

当一个 Redis 新节点运行并加入现有集群后，我们需要为其迁移槽和槽对应的数据。首先要为新节点指定槽的迁移计划，确保迁移后每个节点负责相似数量的槽，从而保证这些节点的数据均匀。如下图：向有三个master集群中加入M4(即node-4)，集群中槽和数据的迁移。

#集群扩容过程：
1.首先启动一个 Redis 节点，记为 M4。

2.使用 cluster meet 命令，让新 Redis 节点加入到集群中。新节点刚开始都是主节点状态，由于没有负责的槽，所以不能接受任何读写操作，后续我们就给他迁移槽和填充数据。

3.对M4节点发送 cluster setslot { slot } importing { sourceNodeId } 命令，让目标节点准备导入槽的数据。 对源节点，也就是 M1，M2，M3 节点发送 cluster setslot { slot } migrating { targetNodeId } 命令，让源节点准备迁出槽的数据。

4.源节点执行 cluster getkeysinslot { slot } { count } 命令，获取 count 个属于槽 { slot } 的键，然后执行步骤五的操作进行迁移键值数据。

5.在源节点上执行 migrate { targetNodeIp} " " 0 { timeout } keys { key... } 命令，把获取的键通过 pipeline 机制批量迁移到目标节点，批量迁移版本的 migrate 命令在 Redis 3.0.6 以上版本提供。

6.重复执行步骤 5 和步骤 6 直到槽下所有的键值数据迁移到目标节点。

7.向集群内所有主节点发送 cluster setslot { slot } node { targetNodeId } 命令，通知槽分配给目标节点。为了保证槽节点映射变更及时传播，需要遍历发送给所有主节点更新被迁移的槽执行新节点

(2)集群收缩

收缩节点就是将 Redis 节点下线，整个流程需要如下操作流程：

• 首先需要确认下线节点是否有负责的槽，如果有，需要把槽和对应的数据迁移到其它节点，保证节点下线后整个集群槽节点映射的完整性。

• 当下线节点不再负责槽或者本身是从节点时，就可以通知集群内其他节点忘记下线节点，当所有的节点忘记改节点后可以正常关闭。

下线节点需要将节点自己负责的槽迁移到其他节点，原理与之前节点扩容的迁移槽过程一致。迁移完槽后，还需要通知集群内所有节点忘记下线的节点，也就是说让其它节点不再与要下线的节点进行 Gossip 消息交换。

3.客户端请求路由

(1)moved重定向

客服端请求产生moved重定向的执行过程：

• 1.每个节点通过通信都会共享Redis Cluster中槽和集群中对应节点的关系。

• 2.客户端向Redis Cluster的任意节点发送命令，接收命令的节点会根据CRC16规则进行hash运算与16383取余，计算自己的槽和对应节点 。

• 3.如果保存数据的槽被分配给当前节点，则去槽中执行命令，并把命令执行结果返回给客户端。

• 4.如果保存数据的槽不在当前节点的管理范围内，则向客户端返回moved重定向异常 。

• 5.客户端接收到节点返回的结果，如果是moved异常，则从moved异常中获取目标节点的信息。

• 6.客户端向目标节点发送命令，获取命令执行结果。

(2)ask重定向

在对集群进行扩容和缩容时，需要对槽及槽中数据进行迁移。当槽及槽中数据正在迁移时，客服端请求目标节点时，目标节点中的槽已经迁移支别的节点上了，此时目标节点会返回ask转向给客户端。

当客户端向某个节点发送命令，节点向客户端返回moved异常，告诉客户端数据对应的槽的节点信息；客户端再向正确的节点发送命令时，如果此时正在进行集群扩展或者缩空操作，槽及槽中数据已经被迁移到别的节点了，就会返回ask，这就是ask重定向机制。如下图：

请求执行步骤：

• 1.当客户端向集群中某个节点发送命令，节点向客户端返回moved异常，告诉客户端数据对应目标槽的节点信息。

• 2.客户端再向目标节点发送命令，目标节点中的槽已经迁移出别的节点上了，此时目标节点会返回ask重定向给客户端。

• 2.客户端向新的target节点发送Asking命令，然后再次向新节点发送请求请求命令。

• 3.新节点target执行命令，把命令执行结果返回给客户端。

#moved和ask重定向的区别：
两者都是客户端重定向
moved异常：槽已经确定迁移，即槽已经不在当前节点
ask异常：槽还在迁移中

(3)smart智能客户端

当数据过多，集群节点较多时，客服端大多数请求都会发生重定向，每次重定向都会产生一次无用的请求，严重影响了redis的性能。如果客户端在请求时就知道由哪个节点负责管理哪个槽，再将请求打到对应的节点上，那就有效的解决了这个问题。

提高redis的性能，避免大部分请求发生重定向，可以使用智能客户端。智能客户端知道由哪个节点负责管理哪个槽，而且某个当节点与槽的映射关系发生改变时，客户端也会进行响应的更新，这是一种非常高效的请求方式。

Jedis为Redis Cluster提供了Smart客户端，也就是JedisCluster类。JedisCluster会从集群中选一个可运行的节点，使用 cluster slots 初始化槽和节点映射，将映射关系保存到本地，为每个节点创建JedisPool，相当于为每个redis节点都设置一个JedisPool，然后就可以进行数据读写操作。

smart智能客户端读写数据命令执行过程如下：

• 1.JedisCluster启动时，会从集群中选一个可运行的节点，使用 cluster slots 初始化槽和节点映射，将映射关系保存到本地。

• 2.smart 客户端将请求要操作的 key 发送到目标节点，如果请求成功，就得到响应，并返回结果。

• 3.如果目标节点出现连接出错(说明节点的slot->node的映射有更新)，客户端将随机找个活跃节点，向其发送命令，大概率会得到 moved异常，然后根据moved响应更新 slot 和 node 的映射关系，再向新的目标节点发送命令。

• 如果这样的情况连续出现 5 次未找到目标节点，则抛出异常：Too many cluster redirection！。

总结：mart智能客户的目标：追求性能。避免了大量请求的moved重定向操作，在数据量和请求量大的环境下，极高的提升了redis性能。

4.Redis Cluster主从选举

当某个master挂掉后，在cluster集群仍然可用的前提下，由于某个master可能有多个slave，某个salve将提升为master节点，那么就会存在竞争，那么此时它们的选举机制是怎样的呢？

#1.currentEpoch选举轮次标记
    一个集群状态的相关概念，记录集群状态变更的递增版本号。集群中每发生一次master选举currentEpoch就加一，集群节点创建时，不管是 master还是slave，都置currentEpoch为0。
当前节点在接受其他节点发送的请求时，如果发送者的currentEpoch（消息头部会包含发送者的 currentEpoch）大于当前节点的currentEpoch，那么当前节点会更新currentEpoch。
因此，集群中所有节点的 currentEpoch最终会达成一致，相当于对集群状态的认知达成了一致。

master节点选举过程：

• 1.slave发现自己的master变为FAIL。

• 2.发起选举前，slave先给自己的epoch（即currentEpoch）加一，然后请求集群中其它master给自己投票，并广播信息给集群中其他节点。

• 3.slave发起投票后，会等待至少两倍NODE_TIMEOUT时长接收投票结果，不管NODE_TIMEOUT何值，也至少会等待2秒。

• 4.其他节点收到该信息，只有master响应，判断请求者的合法性，并发送结果。

• 5.尝试选举的slave收集master返回的结果，收到超过半投票数master的统一后变成新Master，如果失败会发起第二次选举，选举轮次标记+1继续上面的流程。

• 6.选举成功后，广播Pong消息通知集群其它节点。

之所以强制延迟至少0.5秒选举，是为确保master的fail状态在整个集群内传开，否则可能只有小部分master知晓，而master只会给处于fail状态的master的slaves投票。
如果一个slave的master状态不是fail，则其它master不会给它投票，Redis通过八卦协议（即Gossip协议，也叫谣言协议）传播fail。
而在固定延迟上再加一个随机延迟，是为了避免多个slaves同时发起选举。

#延迟计算公式：
    DELAY = 500ms + random(0 ~ 500ms) + SLAVE_RANK * 1000ms

SLAVE_RANK表示此slave已经从master复制数据的总量的rank。Rank越小代表已复制的数据越新。这种方式下，持有最新数据的slave将会首先发起选举（理论上）。

每次痛苦的挣扎过程都是一次成长，坚持过去了就海阔天空；越优秀的人，越自律；越痛苦的时候，越要坚持，不忘初心！                                                          

                                                                                  2020年07月27号  晚  于北京记