面試題

redis 集群模式的工作原理能說一下么胳喷？在集群模式下湃番，redis 的 key 是如何尋址的？分布式尋址都有哪些算法吭露？了解一致性 hash 算法嗎吠撮？

面試官心理分析

在前幾年，redis 如果要搞幾個(gè)節(jié)點(diǎn)讲竿，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)一部分的數(shù)據(jù)泥兰，得借助一些中間件來實(shí)現(xiàn)弄屡，比如說有 codis，或者 twemproxy鞋诗，都有膀捷。有一些 redis 中間件，你讀寫 redis 中間件削彬，redis 中間件負(fù)責(zé)將你的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)在多臺(tái)機(jī)器上的 redis 實(shí)例中全庸。

這兩年，redis 不斷在發(fā)展融痛，redis 也不斷的有新的版本糕篇，現(xiàn)在的 redis 集群模式，可以做到在多臺(tái)機(jī)器上酌心，部署多個(gè) redis 實(shí)例，每個(gè)實(shí)例存儲(chǔ)一部分的數(shù)據(jù)挑豌，同時(shí)每個(gè) redis 實(shí)例可以掛 redis 從實(shí)例安券，自動(dòng)確保說，如果 redis 主實(shí)例掛了氓英，會(huì)自動(dòng)切換到 redis 從實(shí)例頂上來侯勉。

現(xiàn)在 redis 的新版本，大家都是用 redis cluster 的铝阐，也就是 redis 原生支持的 redis 集群模式址貌，那么面試官肯定會(huì)就 redis cluster 對(duì)你來個(gè)幾連炮。要是你沒用過 redis cluster徘键，正常练对，以前很多人用 codis 之類的客戶端來支持集群，但是起碼你得研究一下 redis cluster 吧吹害。

如果你的數(shù)據(jù)量很少螟凭，主要是承載高并發(fā)高性能的場(chǎng)景，比如你的緩存一般就幾個(gè) G它呀，單機(jī)就足夠了螺男，可以使用 replication，一個(gè) master 多個(gè) slaves纵穿，要幾個(gè) slave 跟你要求的讀吞吐量有關(guān)下隧，然后自己搭建一個(gè) sentinel 集群去保證 redis 主從架構(gòu)的高可用性。

redis cluster谓媒，主要是針對(duì)海量數(shù)據(jù)+高并發(fā)+高可用的場(chǎng)景淆院。redis cluster 支撐 N 個(gè) redis master node，每個(gè) master node 都可以掛載多個(gè) slave node句惯。這樣整個(gè) redis 就可以橫向擴(kuò)容了迫筑。如果你要支撐更大數(shù)據(jù)量的緩存宪赶，那就橫向擴(kuò)容更多的 master 節(jié)點(diǎn)，每個(gè) master 節(jié)點(diǎn)就能存放更多的數(shù)據(jù)了脯燃。

面試題剖析

redis cluster 介紹

• 自動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分片搂妻，每個(gè) master 上放一部分?jǐn)?shù)據(jù)
• 提供內(nèi)置的高可用支持，部分 master 不可用時(shí)辕棚，還是可以繼續(xù)工作的

在 redis cluster 架構(gòu)下欲主，每個(gè) redis 要放開兩個(gè)端口號(hào)，比如一個(gè)是 6379逝嚎，另外一個(gè)就是 加1w 的端口號(hào)扁瓢，比如 16379。

16379 端口號(hào)是用來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間通信的补君，也就是 cluster bus 的東西引几，cluster bus 的通信，用來進(jìn)行故障檢測(cè)挽铁、配置更新伟桅、故障轉(zhuǎn)移授權(quán)。cluster bus 用了另外一種二進(jìn)制的協(xié)議叽掘，gossip 協(xié)議楣铁，用于節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換，占用更少的網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理時(shí)間更扁。

節(jié)點(diǎn)間的內(nèi)部通信機(jī)制

基本通信原理

• redis cluster 節(jié)點(diǎn)間采用 gossip 協(xié)議進(jìn)行通信
  集中式是將集群元數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)信息盖腕、故障等等）幾種存儲(chǔ)在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上。集中式元數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)的一個(gè)典型代表浓镜，就是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的 storm溃列。它是分布式的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算引擎，是集中式的元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)膛薛，底層基于 zookeeper（分布式協(xié)調(diào)的中間件）對(duì)所有元數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)維護(hù)哭廉。
  
  zookeeper-centralized-storage

redis 維護(hù)集群元數(shù)據(jù)采用另一個(gè)方式， gossip 協(xié)議相叁，所有節(jié)點(diǎn)都持有一份元數(shù)據(jù)遵绰，不同的節(jié)點(diǎn)如果出現(xiàn)了元數(shù)據(jù)的變更，就不斷將元數(shù)據(jù)發(fā)送給其它的節(jié)點(diǎn)增淹，讓其它節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行元數(shù)據(jù)的變更椿访。

redis-gossip

集中式的好處在于，元數(shù)據(jù)的讀取和更新虑润，時(shí)效性非常好成玫，一旦元數(shù)據(jù)出現(xiàn)了變更，就立即更新到集中式的存儲(chǔ)中，其它節(jié)點(diǎn)讀取的時(shí)候就可以感知到哭当；不好在于猪腕，所有的元數(shù)據(jù)的更新壓力全部集中在一個(gè)地方，可能會(huì)導(dǎo)致元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有壓力钦勘。

gossip 好處在于陋葡，元數(shù)據(jù)的更新比較分散，不是集中在一個(gè)地方彻采，更新請(qǐng)求會(huì)陸陸續(xù)續(xù)腐缤，打到所有節(jié)點(diǎn)上去更新，降低了壓力肛响；不好在于岭粤，元數(shù)據(jù)的更新有延時(shí)，可能導(dǎo)致集群中的一些操作會(huì)有一些滯后特笋。

• 10000 端口
  每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)專門用于節(jié)點(diǎn)間通信的端口剃浇，就是自己提供服務(wù)的端口號(hào)+10000，比如 7001猎物，那么用于節(jié)點(diǎn)間通信的就是 17001 端口虎囚。每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間都會(huì)往另外幾個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ping 消息，同時(shí)其它幾個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到 ping 之后返回 pong霸奕。

• 交換的信息
  信息包括故障信息，節(jié)點(diǎn)的增加和刪除吉拳，hash slot 信息 等等质帅。

gossip 協(xié)議

gossip 協(xié)議包含多種消息，包含 ping,pong,meet,fail 等等留攒。

• meet：某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 meet 給新加入的節(jié)點(diǎn)煤惩，讓新節(jié)點(diǎn)加入集群中，然后新節(jié)點(diǎn)就會(huì)開始與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信炼邀。

redis-trib.rb add-node

其實(shí)內(nèi)部就是發(fā)送了一個(gè) gossip meet 消息給新加入的節(jié)點(diǎn)魄揉，通知那個(gè)節(jié)點(diǎn)去加入我們的集群。

• ping：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)頻繁給其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ping拭宁，其中包含自己的狀態(tài)還有自己維護(hù)的集群元數(shù)據(jù)洛退，互相通過 ping 交換元數(shù)據(jù)。
• pong：返回 ping 和 meeet杰标，包含自己的狀態(tài)和其它信息兵怯，也用于信息廣播和更新。
• fail：某個(gè)節(jié)點(diǎn)判斷另一個(gè)節(jié)點(diǎn) fail 之后腔剂，就發(fā)送 fail 給其它節(jié)點(diǎn)媒区，通知其它節(jié)點(diǎn)說，某個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)啦。

ping 消息深入

ping 時(shí)要攜帶一些元數(shù)據(jù)袜漩，如果很頻繁绪爸，可能會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒會(huì)執(zhí)行 10 次 ping宙攻，每次會(huì)選擇 5 個(gè)最久沒有通信的其它節(jié)點(diǎn)奠货。當(dāng)然如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)通信延時(shí)達(dá)到了 cluster_node_timeout / 2，那么立即發(fā)送 ping粘优，避免數(shù)據(jù)交換延時(shí)過長(zhǎng)仇味，落后的時(shí)間太長(zhǎng)了。比如說雹顺，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都 10 分鐘沒有交換數(shù)據(jù)了丹墨，那么整個(gè)集群處于嚴(yán)重的元數(shù)據(jù)不一致的情況，就會(huì)有問題嬉愧。所以 cluster_node_timeout 可以調(diào)節(jié)贩挣，如果調(diào)得比較大，那么會(huì)降低 ping 的頻率没酣。

每次 ping王财，會(huì)帶上自己節(jié)點(diǎn)的信息，還有就是帶上 1/10 其它節(jié)點(diǎn)的信息裕便，發(fā)送出去绒净，進(jìn)行交換。至少包含 3 個(gè)其它節(jié)點(diǎn)的信息偿衰，最多包含總結(jié)點(diǎn)-2 個(gè)其它節(jié)點(diǎn)的信息挂疆。

分布式尋址算法

• hash 算法（大量緩存重建）
• 一致性 hash 算法（自動(dòng)緩存遷移）+ 虛擬節(jié)點(diǎn)（自動(dòng)負(fù)載均衡）
• redis cluster 的 hash slot 算法

hash 算法

來了一個(gè) key，首先計(jì)算 hash 值下翎，然后對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)取模缤言。然后打在不同的 master 節(jié)點(diǎn)上。一旦某一個(gè) master 節(jié)點(diǎn)宕機(jī)视事，所有請(qǐng)求過來胆萧，都會(huì)基于最新的剩余 master 節(jié)點(diǎn)數(shù)去取模，嘗試去取數(shù)據(jù)俐东。這會(huì)導(dǎo)致大部分的請(qǐng)求過來跌穗，全部無法拿到有效的緩存，導(dǎo)致大量的流量涌入數(shù)據(jù)庫虏辫。

hash

一致性 hash 算法

一致性 hash 算法將整個(gè) hash 值空間組織成一個(gè)虛擬的圓環(huán)瞻离，整個(gè)空間按順時(shí)針方向組織，下一步將各個(gè) master 節(jié)點(diǎn)（使用服務(wù)器的 ip 或主機(jī)名）進(jìn)行 hash乒裆。這樣就能確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其哈希環(huán)上的位置套利。

來了一個(gè) key推励，首先計(jì)算 hash 值，并確定此數(shù)據(jù)在環(huán)上的位置肉迫，從此位置沿環(huán)順時(shí)針“行走”验辞，遇到的第一個(gè) master 節(jié)點(diǎn)就是 key 所在位置。

在一致性哈希算法中喊衫，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛了跌造，受影響的數(shù)據(jù)僅僅是此節(jié)點(diǎn)到環(huán)空間前一個(gè)節(jié)點(diǎn)（沿著逆時(shí)針方向行走遇到的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)）之間的數(shù)據(jù)，其它不受影響族购。增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)也同理壳贪。

燃鵝，一致性哈希算法在節(jié)點(diǎn)太少時(shí)寝杖，容易因?yàn)楣?jié)點(diǎn)分布不均勻而造成緩存熱點(diǎn)的問題违施。為了解決這種熱點(diǎn)問題，一致性 hash 算法引入了虛擬節(jié)點(diǎn)機(jī)制瑟幕，即對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算多個(gè) hash磕蒲，每個(gè)計(jì)算結(jié)果位置都放置一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的均勻分布只盹，負(fù)載均衡辣往。

consistent-hashing-algorithm

redis cluster 的 hash slot 算法

redis cluster 有固定的 16384 個(gè) hash slot，對(duì)每個(gè) key 計(jì)算 CRC16 值殖卑，然后對(duì) 16384 取模站削，可以獲取 key 對(duì)應(yīng)的 hash slot。

redis cluster 中每個(gè) master 都會(huì)持有部分 slot孵稽，比如有 3 個(gè) master许起，那么可能每個(gè) master 持有 5000 多個(gè) hash slot。hash slot 讓 node 的增加和移除很簡(jiǎn)單肛冶，增加一個(gè) master街氢，就將其他 master 的 hash slot 移動(dòng)部分過去扯键，減少一個(gè) master睦袖，就將它的 hash slot 移動(dòng)到其他 master 上去。移動(dòng) hash slot 的成本是非常低的荣刑∠隗希客戶端的 api，可以對(duì)指定的數(shù)據(jù)厉亏，讓他們走同一個(gè) hash slot董习，通過 hash tag 來實(shí)現(xiàn)。

任何一臺(tái)機(jī)器宕機(jī)爱只，另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)皿淋，不影響的。因?yàn)?key 找的是 hash slot，不是機(jī)器窝趣。

hash-slot

redis cluster 的高可用與主備切換原理

redis cluster 的高可用的原理疯暑，幾乎跟哨兵是類似的

判斷節(jié)點(diǎn)宕機(jī)

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，那么就是 pfail哑舒，主觀宕機(jī)妇拯。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)了，那么就是 fail洗鸵，客觀宕機(jī)越锈，跟哨兵的原理幾乎一樣，sdown膘滨，odown甘凭。

在 cluster-node-timeout 內(nèi)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)一直沒有返回 pong吏祸，那么就被認(rèn)為 pfail对蒲。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為某個(gè)節(jié)點(diǎn) pfail 了，那么會(huì)在 gossip ping 消息中贡翘，ping 給其他節(jié)點(diǎn)蹈矮，如果超過半數(shù)的節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為 pfail 了，那么就會(huì)變成 fail鸣驱。

從節(jié)點(diǎn)過濾

對(duì)宕機(jī)的 master node泛鸟，從其所有的 slave node 中，選擇一個(gè)切換成 master node踊东。

檢查每個(gè) slave node 與 master node 斷開連接的時(shí)間北滥，如果超過了 cluster-node-timeout * cluster-slave-validity-factor，那么就沒有資格切換成 master闸翅。

從節(jié)點(diǎn)選舉

每個(gè)從節(jié)點(diǎn)再芋，都根據(jù)自己對(duì) master 復(fù)制數(shù)據(jù)的 offset，來設(shè)置一個(gè)選舉時(shí)間坚冀，offset 越大（復(fù)制數(shù)據(jù)越多）的從節(jié)點(diǎn)济赎，選舉時(shí)間越靠前，優(yōu)先進(jìn)行選舉记某。

所有的 master node 開始 slave 選舉投票司训，給要進(jìn)行選舉的 slave 進(jìn)行投票，如果大部分 master node（N/2 + 1）都投票給了某個(gè)從節(jié)點(diǎn)液南，那么選舉通過壳猜，那個(gè)從節(jié)點(diǎn)可以切換成 master。

從節(jié)點(diǎn)執(zhí)行主備切換滑凉，從節(jié)點(diǎn)切換為主節(jié)點(diǎn)统扳。

與哨兵比較

整個(gè)流程跟哨兵相比喘帚，非常類似，所以說咒钟，redis cluster 功能強(qiáng)大啥辨，直接集成了 replication 和 sentinel 的功能。