在開發測試環境中，我們一般搭建Redis的單實例來應對開發測試需求，但是在生產環境，如果對可用性、可靠性要求較高，則需要引入Redis的集群方案。雖然現在各大云平臺有提供緩存服務可以直接使用，但了解一下其背后的實現與原理總還是有些必要（比如面試）， 本文就一起來學習一下Redis的幾種集群方案。

Redis支持三種集群方案

•  主從復制模式
•  Sentinel（哨兵）模式
•  Cluster模式

主從復制模式

1. 基本原理

主從復制模式中包含一個主數據庫實例（master）與一個或多個從數據庫實例（slave），如下圖

客戶端可對主數據庫進行讀寫操作，對從數據庫進行讀操作，主數據庫寫入的數據會實時自動同步給從數據庫。

具體工作機制為：

1.  slave啟動后，向master發送SYNC命令，master接收到SYNC命令后通過bgsave保存快照（即上文所介紹的RDB持久化），并使用緩沖區記錄保存快照這段時間內執行的寫命令
2.  master將保存的快照文件發送給slave，并繼續記錄執行的寫命令
3.  slave接收到快照文件后，加載快照文件，載入數據
4.  master快照發送完后開始向slave發送緩沖區的寫命令，slave接收命令并執行，完成復制初始化
5.  此后master每次執行一個寫命令都會同步發送給slave，保持master與slave之間數據的一致性

2. 部署示例

本示例基于Redis 5.0.3版。

redis.conf的主要配置 

###網絡相關###  
# bind 127.0.0.1 # 綁定監聽的網卡IP，注釋掉或配置成0.0.0.0可使任意IP均可訪問  
protected-mode no # 關閉保護模式，使用密碼訪問  
port 6379  # 設置監聽端口，建議生產環境均使用自定義端口  
timeout 30 # 客戶端連接空閑多久后斷開連接，單位秒，0表示禁用  
###通用配置###  
daemonize yes # 在后臺運行  
pidfile /var/run/redis_6379.pid  # pid進程文件名  
logfile /usr/local/redis/logs/redis.log # 日志文件的位置  
###RDB持久化配置###  
save 900 1 # 900s內至少一次寫操作則執行bgsave進行RDB持久化  
save 300 10  
save 60 10000   
# 如果禁用RDB持久化，可在這里添加 save ""  
rdbcompression yes #是否對RDB文件進行壓縮，建議設置為no，以（磁盤）空間換（CPU）時間  
dbfilename dump.rdb # RDB文件名稱  
dir /usr/local/redis/datas # RDB文件保存路徑，AOF文件也保存在這里  
###AOF配置###  
appendonly yes # 默認值是no，表示不使用AOF增量持久化的方式，使用RDB全量持久化的方式  
appendfsync everysec # 可選值 always， everysec，no，建議設置為everysec  
###設置密碼###  
requirepass 123456 # 設置復雜一點的密碼 

部署主從復制模式只需稍微調整slave的配置，在redis.conf中添加 

replicaof 127.0.0.1 6379 # master的ip，port  
masterauth 123456 # master的密碼 
replica-serve-stale-data no # 如果slave無法與master同步，設置成slave不可讀，方便監控腳本發現問題 

本示例在單臺服務器上配置master端口6379，兩個slave端口分別為7001,7002，啟動master，再啟動兩個slave 

[root@dev-server-1 master-slave]# redis-server master.conf  
[root@dev-server-1 master-slave]# redis-server slave1.conf  
[root@dev-server-1 master-slave]# redis-server slave2.conf 

進入master數據庫，寫入一個數據，再進入一個slave數據庫，立即便可訪問剛才寫入master數據庫的數據。如下所示 

[root@dev-server-1 master-slave]# redis-cli   
127.0.0.1:6379> auth 123456  
OK  
127.0.0.1:6379> set site blog.jboost.cn  
OK  
127.0.0.1:6379> get site  
"blog.jboost.cn"  
127.0.0.1:6379> info replication  
# Replication  
role:master  
connected_slaves:2  
slave0:ip=127.0.0.1,port=7001,state=online,offset=13364738,lag=1  
slave1:ip=127.0.0.1,port=7002,state=online,offset=13364738,lag=0 
...  
127.0.0.1:6379> exit  
[root@dev-server-1 master-slave]# redis-cli -p 7001  
127.0.0.1:7001> auth 123456  
OK  
127.0.0.1:7001> get site  
"blog.jboost.cn" 

執行info replication命令可以查看連接該數據庫的其它庫的信息，如上可看到有兩個slave連接到master

3. 主從復制的優缺點

優點：

1.  master能自動將數據同步到slave，可以進行讀寫分離，分擔master的讀壓力
2.  master、slave之間的同步是以非阻塞的方式進行的，同步期間，客戶端仍然可以提交查詢或更新請求

缺點：

1.  不具備自動容錯與恢復功能，master或slave的宕機都可能導致客戶端請求失敗，需要等待機器重啟或手動切換客戶端IP才能恢復
2.  master宕機，如果宕機前數據沒有同步完，則切換IP后會存在數據不一致的問題
3.  難以支持在線擴容，Redis的容量受限于單機配置

Sentinel（哨兵）模式

1. 基本原理

哨兵模式基于主從復制模式，只是引入了哨兵來監控與自動處理故障。如圖

哨兵顧名思義，就是來為Redis集群站哨的，一旦發現問題能做出相應的應對處理。其功能包括

1.  監控master、slave是否正常運行
2.  當master出現故障時，能自動將一個slave轉換為master（大哥掛了，選一個小弟上位）
3.  多個哨兵可以監控同一個Redis，哨兵之間也會自動監控

哨兵模式的具體工作機制：

在配置文件中通過 sentinel monitor來定位master的IP、端口，一個哨兵可以監控多個master數據庫，只需要提供多個該配置項即可。哨兵啟動后，會與要監控的master建立兩條連接：

1.  一條連接用來訂閱master的_sentinel_:hello頻道與獲取其他監控該master的哨兵節點信息
2.  另一條連接定期向master發送INFO等命令獲取master本身的信息

與master建立連接后，哨兵會執行三個操作：

1.  定期（一般10s一次，當master被標記為主觀下線時，改為1s一次）向master和slave發送INFO命令
2.  定期向master和slave的_sentinel_:hello頻道發送自己的信息
3.  定期（1s一次）向master、slave和其他哨兵發送PING命令

發送INFO命令可以獲取當前數據庫的相關信息從而實現新節點的自動發現。所以說哨兵只需要配置master數據庫信息就可以自動發現其slave信息。獲取到slave信息后，哨兵也會與slave建立兩條連接執行監控。通過INFO命令，哨兵可以獲取主從數據庫的最新信息，并進行相應的操作，比如角色變更等。

接下來哨兵向主從數據庫的sentinel:hello頻道發送信息與同樣監控這些數據庫的哨兵共享自己的信息，發送內容為哨兵的ip端口、運行id、配置版本、master名字、master的ip端口還有master的配置版本。這些信息有以下用處：

1.  其他哨兵可以通過該信息判斷發送者是否是新發現的哨兵，如果是的話會創建一個到該哨兵的連接用于發送PING命令。
2.  其他哨兵通過該信息可以判斷master的版本，如果該版本高于直接記錄的版本，將會更新
3.  當實現了自動發現slave和其他哨兵節點后，哨兵就可以通過定期發送PING命令定時監控這些數據庫和節點有沒有停止服務。

如果被PING的數據庫或者節點超時（通過 sentinel down-after-milliseconds master-name milliseconds 配置）未回復，哨兵認為其主觀下線（sdown，s就是Subjectively —— 主觀地）。如果下線的是master，哨兵會向其它哨兵發送命令詢問它們是否也認為該master主觀下線，如果達到一定數目（即配置文件中的quorum）投票，哨兵會認為該master已經客觀下線（odown，o就是Objectively —— 客觀地），并選舉領頭的哨兵節點對主從系統發起故障恢復。若沒有足夠的sentinel進程同意master下線，master的客觀下線狀態會被移除，若master重新向sentinel進程發送的PING命令返回有效回復，master的主觀下線狀態就會被移除

哨兵認為master客觀下線后，故障恢復的操作需要由選舉的領頭哨兵來執行，選舉采用Raft算法：

1.  發現master下線的哨兵節點（我們稱他為A）向每個哨兵發送命令，要求對方選自己為領頭哨兵
2.  如果目標哨兵節點沒有選過其他人，則會同意選舉A為領頭哨兵
3.  如果有超過一半的哨兵同意選舉A為領頭，則A當選
4.  如果有多個哨兵節點同時參選領頭，此時有可能存在一輪投票無競選者勝出，此時每個參選的節點等待一個隨機時間后再次發起參選請求，進行下一輪投票競選，直至選舉出領頭哨兵

選出領頭哨兵后，領頭者開始對系統進行故障恢復，從出現故障的master的從數據庫中挑選一個來當選新的master,選擇規則如下：

1.  所有在線的slave中選擇優先級最高的，優先級可以通過slave-priority配置
2.  如果有多個最高優先級的slave，則選取復制偏移量最大（即復制越完整）的當選
3.  如果以上條件都一樣，選取id最小的slave

挑選出需要繼任的slave后，領頭哨兵向該數據庫發送命令使其升格為master，然后再向其他slave發送命令接受新的master，最后更新數據。將已經停止的舊的master更新為新的master的從數據庫，使其恢復服務后以slave的身份繼續運行。

2. 部署演示

本示例基于Redis 5.0.3版。

哨兵模式基于前文的主從復制模式。哨兵的配置文件為sentinel.conf，在文件中添加 

sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 1 # mymaster定義一個master數據庫的名稱，后面是master的ip， port，1表示至少需要一個Sentinel進程同意才能將master判斷為失效，如果不滿足這個條件，則自動故障轉移（failover）不會執行 
sentinel auth-pass mymaster 123456 # master的密碼 
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000 # 5s未回復PING，則認為master主觀下線，默認為30s 
sentinel parallel-syncs mymaster 2  # 指定在執行故障轉移時，最多可以有多少個slave實例在同步新的master實例，在slave實例較多的情況下這個數字越小，同步的時間越長，完成故障轉移所需的時間就越長 
sentinel failover-timeout mymaster 300000 # 如果在該時間（ms）內未能完成故障轉移操作，則認為故障轉移失敗，生產環境需要根據數據量設置該值 

 一個哨兵可以監控多個master數據庫，只需按上述配置添加多套

分別以26379,36379,46379端口啟動三個sentinel 

[root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel1.conf --sentinel  
[root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel2.conf --sentinel 
[root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel3.conf --sentinel 

也可以使用redis-sentinel sentinel1.conf 命令啟動。此時集群包含一個master、兩個slave、三個sentinel，如圖，

我們來模擬master掛掉的場景，執行 kill -9 3017 將master進程干掉，進入slave中執行 info replication查看， 

[root@dev-server-1 sentinel]# redis-cli -p 7001  
127.0.0.1:7001> auth 123456  
OK  
127.0.0.1:7001> info replication  
# Replication  
role:slave  
master_host:127.0.0.1  
master_port:7002  
master_link_status:up  
master_last_io_seconds_ago:1  
master_sync_in_progress:0  
# 省略  
127.0.0.1:7001> exit  
[root@dev-server-1 sentinel]# redis-cli -p 7002  
127.0.0.1:7002> auth 123456  
OK  
127.0.0.1:7002> info replication  
# Replication  
role:master  
connected_slaves:1  
slave0:ip=127.0.0.1,port=7001,state=online,offset=13642721,lag=1  
# 省略 

可以看到slave 7002已經成功上位晉升為master（role：master），接收一個slave 7001的連接。此時查看slave2.conf配置文件，發現replicaof的配置已經被移除了，slave1.conf的配置文件里replicaof 127.0.0.1 6379 被改為 replicaof 127.0.0.1 7002。重新啟動master，也可以看到master.conf配置文件中添加了replicaof 127.0.0.1 7002的配置項，可見大哥（master）下位后，再出來混就只能當當小弟（slave）了，三十年河東三十年河西。

3. 哨兵模式的優缺點

優點：

1.  哨兵模式基于主從復制模式，所以主從復制模式有的優點，哨兵模式也有
2.  哨兵模式下，master掛掉可以自動進行切換，系統可用性更高

缺點：

1.  同樣也繼承了主從模式難以在線擴容的缺點，Redis的容量受限于單機配置
2.  需要額外的資源來啟動sentinel進程，實現相對復雜一點，同時slave節點作為備份節點不提供服務

Cluster模式

1. 基本原理

哨兵模式解決了主從復制不能自動故障轉移，達不到高可用的問題，但還是存在難以在線擴容，Redis容量受限于單機配置的問題。Cluster模式實現了Redis的分布式存儲，即每臺節點存儲不同的內容，來解決在線擴容的問題。如圖

 

Cluster采用無中心結構,它的特點如下：

1.  所有的redis節點彼此互聯(PING-PONG機制),內部使用二進制協議優化傳輸速度和帶寬
2.  節點的fail是通過集群中超過半數的節點檢測失效時才生效
3.  客戶端與redis節點直連,不需要中間代理層.客戶端不需要連接集群所有節點,連接集群中任何一個可用節點即可

Cluster模式的具體工作機制：

      1.  在Redis的每個節點上，都有一個插槽（slot），取值范圍為0-16383

      2.  當我們存取key的時候，Redis會根據CRC16的算法得出一個結果，然后把結果對16384求余數，這樣每個key都會對應一個編號在0-16383之間的哈希槽，通過這個值，去找到對應的插槽所對應的節點，然后直接自動跳轉到這個對應的節點上進行存取操作

      3.  為了保證高可用，Cluster模式也引入主從復制模式，一個主節點對應一個或者多個從節點，當主節點宕機的時候，就會啟用從節點

      4.  當其它主節點ping一個主節點A時，如果半數以上的主節點與A通信超時，那么認為主節點A宕機了。如果主節點A和它的從節點都宕機了，那么該集群就無法再提供服務了

Cluster模式集群節點最小配置6個節點(3主3從，因為需要半數以上)，其中主節點提供讀寫操作，從節點作為備用節點，不提供請求，只作為故障轉移使用。

2. 部署演示

本示例基于Redis 5.0.3版。

Cluster模式的部署比較簡單，首先在redis.conf中 

port 7100 # 本示例6個節點端口分別為7100,7200,7300,7400,7500,7600   
daemonize yes # r后臺運行   
pidfile /var/run/redis_7100.pid # pidfile文件對應7100,7200,7300,7400,7500,7600   
cluster-enabled yes # 開啟集群模式   
masterauth passw0rd # 如果設置了密碼，需要指定master密碼  
cluster-config-file nodes_7100.conf # 集群的配置文件，同樣對應7100,7200等六個節點  
cluster-node-timeout 15000 # 請求超時 默認15秒，可自行設置 

分別以端口7100,7200,7300,7400,7500,7600 啟動六個實例(如果是每個服務器一個實例則配置可一樣) 

[root@dev-server-1 cluster]# redis-server redis_7100.conf  
[root@dev-server-1 cluster]# redis-server redis_7200.conf  
... 

然后通過命令將這個6個實例組成一個3主節點3從節點的集群， 

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 127.0.0.1:7100 127.0.0.1:7200 127.0.0.1:7300 127.0.0.1:7400 127.0.0.1:7500 127.0.0.1:7600 -a passw0rd 

執行結果如圖

可以看到 7100， 7200， 7300 作為3個主節點，分配的slot分別為 0-5460， 5461-10922， 10923-16383， 7600作為7100的slave， 7500作為7300的slave，7400作為7200的slave。

我們連接7100設置一個值 

[root@dev-server-1 cluster]# redis-cli -p 7100 -c -a passw0rd  
Warning: Using a password with '-a' or '-u' option on the command line interface may not be safe.  
127.0.0.1:7100> set site blog.jboost.cn  
-> Redirected to slot [9421] located at 127.0.0.1:7200  
OK  
127.0.0.1:7200> get site  
"blog.jboost.cn"  
127.0.0.1:7200> 

注意添加 -c 參數表示以集群模式，否則報 (error) MOVED 9421 127.0.0.1:7200 錯誤， 以 -a 參數指定密碼，否則報(error) NOAUTH Authentication required錯誤。

從上面命令看到key為site算出的slot為9421，落在7200節點上，所以有Redirected to slot [9421] located at 127.0.0.1:7200，集群會自動進行跳轉。因此客戶端可以連接任何一個節點來進行數據的存取。

通過cluster nodes可查看集群的節點信息 

127.0.0.1:7200> cluster nodes  
eb28aaf090ed1b6b05033335e3d90a202b422d6c 127.0.0.1:7500@17500 slave c1047de2a1b5d5fa4666d554376ca8960895a955 0 1584165266071 5 connected  
4cc0463878ae00e5dcf0b36c4345182e021932bc 127.0.0.1:7400@17400 slave 5544aa5ff20f14c4c3665476de6e537d76316b4a 0 1584165267074 4 connected  
dbbb6420d64db22f35a9b6fa460b0878c172a2fb 127.0.0.1:7100@17100 master - 0 1584165266000 1 connected 0-5460  
d4b434f5829e73e7e779147e905eea6247ffa5a2 127.0.0.1:7600@17600 slave dbbb6420d64db22f35a9b6fa460b0878c172a2fb 0 1584165265000 6 connected  
5544aa5ff20f14c4c3665476de6e537d76316b4a 127.0.0.1:7200@17200 myself,master - 0 1584165267000 2 connected 5461-10922  
c1047de2a1b5d5fa4666d554376ca8960895a955 127.0.0.1:7300@17300 master - 0 1584165268076 3 connected 10923-16383 

我們將7200通過 kill -9 pid殺死進程來驗證集群的高可用，重新進入集群執行cluster nodes可以看到7200 fail了，但是7400成了master，重新啟動7200，可以看到此時7200已經變成了slave。

3. Cluster模式的優缺點

優點：

      1.  無中心架構，數據按照slot分布在多個節點。

      2.  集群中的每個節點都是平等的關系，每個節點都保存各自的數據和整個集群的狀態。每個節點都和其他所有節點連接，而且這些連接保持活躍，這樣就保證了我們只需要連接集群中的任意一個節點，就可以獲取到其他節點的數據。

      3.  可線性擴展到1000多個節點，節點可動態添加或刪除

      4.  能夠實現自動故障轉移，節點之間通過gossip協議交換狀態信息，用投票機制完成slave到master的角色轉換

缺點：

1.  客戶端實現復雜，驅動要求實現Smart Client，緩存slots mapping信息并及時更新，提高了開發難度。目前僅JedisCluster相對成熟，異常處理還不完善，比如常見的“max redirect exception”
2.  節點會因為某些原因發生阻塞（阻塞時間大于 cluster-node-timeout）被判斷下線，這種failover是沒有必要的
3.  數據通過異步復制，不保證數據的強一致性
4.  slave充當“冷備”，不能緩解讀壓力
5.  批量操作限制，目前只支持具有相同slot值的key執行批量操作，對mset、mget、sunion等操作支持不友好
6.  key事務操作支持有線，只支持多key在同一節點的事務操作，多key分布不同節點時無法使用事務功能
7.   不支持多數據庫空間，單機redis可以支持16個db，集群模式下只能使用一個，即db 0

Redis Cluster模式不建議使用pipeline和multi-keys操作，減少max redirect產生的場景。

總結

本文介紹了Redis集群方案的三種模式，其中主從復制模式能實現讀寫分離，但是不能自動故障轉移；哨兵模式基于主從復制模式，能實現自動故障轉移，達到高可用，但與主從復制模式一樣，不能在線擴容，容量受限于單機的配置；Cluster模式通過無中心化架構，實現分布式存儲，可進行線性擴展，也能高可用，但對于像批量操作、事務操作等的支持性不夠好。三種模式各有優缺點，可根據實際場景進行選擇。