【Redis】Redis 分片集群搭建与故障转移实战指南
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，如图：
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
1.1 集群结构
分片集群需要的节点数量较多，这里我们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。
这里我们会在同一台虚拟机中开启 6 个 redis 实例，模拟分片集群，信息如下：
| IP | PORT | 角色 |
|---|---|---|
| 172.31.76.134 | 7001 | master |
| 172.31.76.134 | 7002 | master |
| 172.31.76.134 | 7003 | master |
| 172.31.76.134 | 8001 | slave |
| 172.31.76.134 | 8002 | slave |
| 172.31.76.134 | 8003 | slave |
1.2 准备实例和配置
这里不在 /tmp 目录下也可以，建议在 home/用户名/ 目录下创建一个新的目录代替 /tmp ，例如我是在 home/horizon/ 目录下新建了 redis-cluster-test 目录，所以我接下来的操作都是在 home/horizon/redis-cluster-test 中进行的，在下面涉及到 /tmp 的配置或操作都需要先修改为 /redis-cluster-test 再操作。
删除之前的 7001、7002、7003 这几个目录，重新创建出 7001、7002、7003、8001、8002、8003 目录：
# 进入/redis-cluster-test目录
cd /redis-cluster-test
# 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 /redis-cluster-test 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 /redis-cluster-test/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 /redis-cluster-test/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 192.168.150.101
# 保护模式
protected-mode no
# 数据库数量
databases 1
# 日志
logfile /redis-cluster-test/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
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
通过 ps 查看状态：
ps -ef | grep redis
发现服务都已经正常启动：
如果要关闭所有进程，可以执行命令：
ps -ef | grep redis | awk '{print $2}' | xargs kill
或者（推荐这种方式）：
printf '%s\n' 7001 7002 7003 8001 8002 8003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown
1.4 创建集群
虽然服务启动了，但是目前每个服务之间都是独立的，没有任何关联。
我们需要执行命令来创建集群，在 Redis5.0 之前创建集群比较麻烦，5.0 之后集群管理命令都集成到了 redis-cli 中。
我们使用的是 5.0 之后的版本，集群管理以及集成到了 redis-cli 中，格式如下：
redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.150.101:7001 192.168.150.101:7002 192.168.150.101:7003 192.168.150.101:8001 192.168.150.101:8002 192.168.150.101:8003
命令说明：
- redis-cli --cluster 或者 ./redis-trib.rb ：代表集群操作命令
- create ：代表是创建集群
- --replicas 1 或者 --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
运行后的样子：
这里输入 yes，则集群开始创建：
通过命令可以查看集群状态：
redis-cli -p 7001 cluster nodes
1.5 测试
尝试连接 7001 节点，存储一个数据：
# 连接
redis-cli -c -p 7001
# 存储数据
set num 123
# 读取数据
get num
# 再次存储
set a 1
2 散列插槽
2.1 插槽原理
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 key 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。
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 7003 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。
Redis 如何判断某个 key 应该在哪个实例？
- 将 16384 个插槽分配到不同的实例
- 根据 key 的有效部分计算哈希值，对 16384 取余
- 余数作为插槽，寻找插槽所在实例即可
如何将同一类数据固定的保存在同一个 Redis 实例？
- 这一类数据使用相同的有效部分，例如 key 都以 {typeId} 为前缀
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：
比如，添加节点的命令：
3.1 需求分析
需求：向集群中添加一个新的 master 节点，并向其中存储 num = 10
- 启动一个新的 redis 实例，端口为 7004
- 添加 7004 到之前的集群，并作为一个 master 节点
- 给 7004 节点分配插槽，使得 num 这个 key 可以存储到 7004 实例
这里需要两个新的功能：
- 添加一个节点到集群中
- 将部分插槽分配到新插槽
3.2 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
3.3 添加新节点到 redis
添加节点的语法如下：
执行命令：
redis-cli --cluster add-node 172.31.76.134:7004 172.31.76.134:7001
通过命令查看集群状态：
redis-cli -p 7001 cluster nodes
如图，7004 加入了集群，并且默认是一个 master 节点：
但是，可以看到 7004 节点的插槽数量为 0，因此没有任何数据可以存储到 7004 上。
3.4 转移插槽
我们要将 num 存储到 7004 节点，因此需要先看看 num 的插槽是多少：
如上图所示，num 的插槽为 2765。
我们可以将 0~3000 的插槽从 7001 转移到 7004，具体命令如下：
建立连接：
redis-cli --cluster reshard 172.31.76.134:7001
得到下面的反馈：
询问要移动多少个插槽，我们计划是3000个：
新的问题来了：
哪个 node 来接收这些插槽？？
显然是 7004，那么 7004 节点的 id 是多少呢？
复制这个 id，然后拷贝到刚才的控制台后：
这里询问，你的插槽是从哪里移动过来的？
- 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
这里我们要从 7001 获取，因此填写 7001 的 id。
填完后，点击done，这样插槽转移就准备好了。
确认要转移吗？输入 yes。
然后，通过命令查看结果，可以看到：
目的达成。
4 故障转移
集群初始状态是这样的：
其中 7001、7002、7003 都是 master，我们计划让 7002 宕机。
4.1 自动故障转移
当集群中有一个 master 宕机会发生什么呢？
直接停止一个 redis 实例，例如 7002：
redis-cli -p 7002 shutdown
- 首先是该实例与其它实例失去连接
- 然后是疑似宕机
- 最后是确定下线，自动提升一个 slave 为新的 master
- 当 7002 再次启动，就会变为一个 slave 节点了
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。其流程如下：
这种 failover 命令可以指定三种模式：
- 缺省：默认的流程，如图 1~6 步
- force：省略了对 offset 的一致性校验
- takeover：直接执行第 5 步，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：
- 利用 redis-cli 连接 7002 这个节点
- 执行 cluster failover 命令
如图：
效果：
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：
- 引入 redis 的 starter 依赖
- 配置分片集群地址
- 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，如下：
spring:
redis:
cluster:
nodes:
- 172.31.76.134:7001
- 172.31.76.134:7002
- 172.31.76.134:7003
- 172.31.76.134:8001
- 172.31.76.134:8002
- 172.31.76.134:8003