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Redis Cluster 集群分片原理：哈希槽与数据迁移

各位观众，各位朋友，欢迎来到今天的Redis Cluster专题讲座！今天咱们聊聊Redis Cluster集群分片背后的故事，也就是它的灵魂：哈希槽和数据迁移。我保证，听完这篇，你对Redis Cluster的理解绝对能上一个台阶，以后面试再也不怕被问得哑口无言了！

一、为啥需要分片？单身狗的烦恼

首先，我们得搞清楚，为啥需要搞这么复杂的分片机制？这就好比，你一个人住的时候，冰箱里放点啥都行，反正都是你的。但是，当你有了女朋友（或者男朋友，此处不歧视），冰箱里的东西就得分清楚了，谁的零食谁负责，不然天天吵架。

Redis也一样。当数据量小的时候，一台Redis服务器就能搞定。但是，当数据量大到一台服务器hold不住的时候，你就得想办法把数据分摊到多台服务器上，这就是分片。

二、哈希槽：给数据找个家

Redis Cluster的分片方案，核心就是哈希槽（Hash Slot）。你可以把哈希槽想象成一个个的房间，每个房间都有一个编号。Redis Cluster总共有16384个房间（0-16383）。

每个Redis节点负责管理一部分房间。比如，节点A负责0-5460号房间，节点B负责5461-10922号房间，节点C负责10923-16383号房间。

那么，数据是怎么分配到这些房间的呢？

Redis Cluster使用CRC16算法对key进行哈希，然后对16384取模，得到一个槽位号。这个槽位号就决定了数据应该放在哪个房间里。

公式：slot = CRC16(key) % 16384

举个例子：

import binascii

def get_slot(key):
    """
    计算key对应的槽位号
    """
    key_bytes = key.encode('utf-8')
    crc = binascii.crc32(key_bytes) & 0xffff  # crc32 返回带符号的32位整数，需要 & 0xffff 转换为无符号的16位整数
    slot = crc % 16384
    return slot

key1 = "user:1001"
key2 = "product:2001"

slot1 = get_slot(key1)
slot2 = get_slot(key2)

print(f"Key '{key1}' 的槽位号是: {slot1}")
print(f"Key '{key2}' 的槽位号是: {slot2}")

运行结果类似：

Key 'user:1001' 的槽位号是: 777
Key 'product:2001' 的槽位号是: 13456

假设节点A负责0-5460号槽位，节点B负责5461-10922号槽位，节点C负责10923-16383号槽位。那么，user:1001会被分配到节点A，product:2001会被分配到节点C。

三、集群的搭建：三个臭皮匠，赛过诸葛亮

搭建Redis Cluster集群，需要至少3个Master节点。为了保证高可用，每个Master节点通常会配备一个或者多个Slave节点。

这里我们假设搭建一个最简单的集群，包含3个Master节点，没有Slave节点。

  1. 准备配置文件：

每个节点都需要一个配置文件 redis.conf。关键配置如下：

port 7000  # 每个节点的端口号不一样，比如7000, 7001, 7002
cluster-enabled yes  # 开启集群模式
cluster-config-file nodes.conf  # 集群配置文件，自动生成，不需要手动修改
cluster-node-timeout 15000  # 节点超时时间，单位毫秒
appendonly yes  # 开启AOF持久化，保证数据安全

注意：每个节点的 port 必须不一样，cluster-config-file 指定的文件会自动生成，不需要手动创建。

  1. 启动节点：

分别启动三个节点：

redis-server redis.conf
redis-server redis.conf
redis-server redis.conf
  1. 创建集群：

使用 redis-cli 工具创建集群：

redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 127.0.0.1:7002 --cluster-replicas 0

--cluster-replicas 0 表示没有Slave节点。如果需要Slave节点，可以设置为1或者更大的数字。

执行这个命令后，redis-cli 会自动分配槽位给每个节点，并生成集群配置文件。

四、数据读写：找到回家的路

当客户端需要读写数据时，首先会连接到集群中的任意一个节点。

  1. 计算槽位号：

客户端根据key计算出槽位号。

  1. 查找槽位对应的节点：

客户端会查询本地的槽位映射表，找到槽位对应的节点。

  1. 读写数据：

如果槽位对应的节点是当前连接的节点，则直接读写数据。否则，节点会返回一个 MOVED 错误，告诉客户端应该连接到哪个节点。

例如：

127.0.0.1:7000> get mykey
(error) MOVED 12182 127.0.0.1:7002

这个错误表示 mykey 对应的槽位是12182，应该连接到 127.0.0.1:7002 节点。

  1. 客户端重定向：

客户端收到 MOVED 错误后，会更新本地的槽位映射表，并重新连接到正确的节点，然后再次发送请求。

这个过程对客户端来说是透明的，客户端只需要知道key，不需要知道数据存储在哪个节点上。

五、数据迁移：搬家公司的故事

当集群需要扩容或者缩容时，就需要进行数据迁移。数据迁移的过程，就像是搬家公司把你的东西从一个房子搬到另一个房子。

  1. 添加新节点：

首先，添加一个新的节点到集群中。这个节点刚开始是空的，没有任何数据。

  1. 重新分配槽位：

然后，需要把一部分槽位从现有的节点迁移到新节点上。这个过程可以通过 redis-cli 工具来完成。

例如：

redis-cli --cluster reshard 127.0.0.1:7000

这个命令会启动reshard过程，你需要回答一些问题，比如要迁移多少个槽位，要从哪个节点迁移，要迁移到哪个节点等等。

  1. 数据迁移：

在reshard过程中，Redis会自动将槽位中的数据从源节点迁移到目标节点。

数据迁移的过程是逐步进行的，不会影响集群的正常运行。

  1. 更新槽位映射表：

当数据迁移完成后，需要更新集群中所有节点的槽位映射表。这样，客户端才能正确地找到数据。

六、数据迁移的细节：搬家公司的内幕

数据迁移的过程中，涉及到一些细节问题：

  • 如何保证数据一致性？

    Redis Cluster使用一种称为 "ask" 机制来保证数据一致性。

    在数据迁移过程中，如果客户端访问一个正在迁移的槽位，源节点会返回一个 ASK 错误，告诉客户端先去目标节点尝试。

    客户端收到 ASK 错误后，会向目标节点发送一个 ASKING 命令，告诉目标节点自己要访问一个正在迁移的槽位。

    然后，目标节点会检查自己是否已经拥有这个key。如果已经拥有，则直接返回数据。否则，会向源节点请求数据。

    通过这种机制，可以保证在数据迁移过程中，客户端始终能够访问到最新的数据。

  • 如何提高数据迁移的速度？

    Redis Cluster使用一种称为 "pipeline" 的技术来提高数据迁移的速度。

    Pipeline可以把多个命令打包成一个请求发送给服务器，减少了网络延迟。

    在数据迁移过程中，Redis会将多个key的迁移命令打包成一个pipeline发送给目标节点，从而提高数据迁移的速度。

七、故障转移：Plan B的重要性

Redis Cluster具有自动故障转移的功能。当一个Master节点宕机时，它的Slave节点会自动升级为Master节点，继续提供服务。

  1. 节点检测：

集群中的每个节点都会定期向其他节点发送心跳包，检测节点的健康状态。

  1. 故障判定：

如果一个节点在一定时间内没有收到其他节点的心跳包，就会认为该节点已经宕机。

  1. 选举：

当一个Master节点宕机时，它的Slave节点会发起选举，选出一个新的Master节点。

  1. 切换：

选举成功后，新的Master节点会接管宕机的Master节点的所有槽位，并开始提供服务。

  1. 通知：

新的Master节点会通知集群中的其他节点，更新槽位映射表。

八、总结：Redis Cluster的魅力

Redis Cluster通过哈希槽实现了数据的分片存储，并通过一系列机制保证了数据的一致性和高可用性。

特性 描述
分片存储 使用哈希槽将数据分散存储在多个节点上，突破单机瓶颈。
高可用性 通过主从复制和自动故障转移，保证集群的可用性。
自动故障转移 当一个Master节点宕机时，它的Slave节点会自动升级为Master节点，继续提供服务。
弹性伸缩 可以方便地添加或者删除节点，实现集群的扩容或者缩容。
数据一致性 通过 "ask" 机制，保证在数据迁移过程中，客户端始终能够访问到最新的数据。
客户端透明 客户端只需要知道key，不需要知道数据存储在哪个节点上。

当然，Redis Cluster也有一些缺点：

  • 复杂性： Redis Cluster的配置和管理相对复杂。
  • 不支持多键操作： Redis Cluster不支持跨槽位的多键操作。如果需要执行多键操作，需要将key放在同一个槽位中，或者使用其他方案。

总的来说，Redis Cluster是一个非常强大的分布式缓存解决方案，适用于需要高可用性和高性能的场景。

九、代码示例：客户端如何使用集群

这里提供一个简单的Python代码示例，演示如何使用 redis-py-cluster 库连接到Redis Cluster集群。

from rediscluster import RedisCluster

# 集群的起始节点
startup_nodes = [
    {"host": "127.0.0.1", "port": "7000"},
    {"host": "127.0.0.1", "port": "7001"},
    {"host": "127.0.0.1", "port": "7002"},
]

# 创建RedisCluster对象
try:
    rc = RedisCluster(startup_nodes=startup_nodes, decode_responses=True)
    print("成功连接到Redis Cluster集群!")
except Exception as e:
    print(f"连接Redis Cluster集群失败: {e}")
    exit()

# 设置键值对
rc.set("mykey", "myvalue")

# 获取键值对
value = rc.get("mykey")
print(f"mykey的值是: {value}")

# 尝试跨槽位操作 (会报错, 因为没有使用 {} 强制key到同一个slot)
try:
    rc.mset({"key1": "value1", "key2": "value2"})
except Exception as e:
    print(f"mset 失败: {e}")

# 使用 {} 强制key到同一个slot
rc.mset({"{group1}key1": "value1", "{group1}key2": "value2"})

print(f"{{group1}key1 的值是: {rc.get('{group1}key1')}")
print(f"{{group1}key2 的值是: {rc.get('{group1}key2')}")

# 关闭连接 (可选)
# rc.close()

这个代码示例演示了如何连接到Redis Cluster集群，设置和获取键值对，以及如何使用 {} 强制key到同一个槽位。

十、一些小技巧：提升你的Redis Cluster技能

  • 使用key hash tag： 可以使用 {} 将多个key放在同一个槽位中，方便执行多键操作。例如，{user:1001}name 和 {user:1001}age 会被分配到同一个槽位。
  • 监控集群状态： 可以使用 redis-cli --cluster check 命令检查集群的状态。
  • 合理规划槽位分配： 合理规划槽位分配，可以避免数据倾斜，提高集群的性能。
  • 注意客户端连接池： 客户端应该使用连接池，避免频繁创建和销毁连接。

好了，今天的Redis Cluster专题讲座就到这里。希望大家通过今天的学习，对Redis Cluster的哈希槽和数据迁移有了更深入的理解。如果还有什么疑问，欢迎提问！谢谢大家！

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