Redis(139)Redis的Cluster是如何实现的?

Redis Cluster 是 Redis 的一种分布式架构,允许将数据分布到多个节点上以实现数据的自动分片、负载均衡和高可用性。Redis Cluster 通过分片、复制、故障检测和自动故障转移等机制实现这些功能。以下是 Redis Cluster 的详细实现及其关键组件和代码示例。

核心概念

1. 数据分片

Redis Cluster 将数据键空间分为 16384 个哈希槽(hash slots)。每个键根据其 CRC16 校验和被映射到其中一个哈希槽。

2. 节点角色

Redis Cluster 中的节点分为主节点(master)和从节点(slave)。主节点负责处理写请求和数据分片,从节点负责备份主节点的数据并在主节点失效时进行故障转移。

3. 集群总线

Redis Cluster 节点之间通过集群总线(Cluster Bus)进行通信,该总线实现了节点间的故障检测、配置更新等功能。

4. 故障检测和转移

Redis Cluster 通过投票机制检测节点故障,并在主节点失效时触发自动故障转移。

数据分片实现

Redis Cluster 的数据分片通过哈希槽实现。以下是相关的代码示例:

c 复制代码
/* Redis Cluster hash function */
unsigned int keyHashSlot(char *key, int keylen) {
    return crc16(key, keylen) & 16383;
}

节点间通信

Redis Cluster 节点通过集群总线进行通信。集群总线使用特殊的二进制协议进行消息传递。以下是节点通信的实现:

c 复制代码
/* Cluster message types */
#define CLUSTERMSG_TYPE_PING 0
#define CLUSTERMSG_TYPE_PONG 1

/* Cluster message structure */
typedef struct {
    uint16_t type;     /* Message type */
    uint16_t totlen;   /* Total length of the message */
    char sender[40];   /* Node ID of the sender */
    char myip[16];     /* Sender IP address */
    uint16_t port;     /* Sender port */
    // other fields...
} clusterMsg;

/* Function to send a message to a node */
void clusterSendMessage(clusterNode *node, clusterMsg *msg) {
    // Serialize the message and send it over the network
}

故障检测和转移

Redis Cluster 通过投票机制实现故障检测和转移。当一个主节点被检测为失效后,集群中的其他主节点会进行投票决定是否进行故障转移。

故障检测

每个节点都会定期向其他节点发送 PING 消息,并期待收到 PONG 回复。如果在一定时间内未收到回复,该节点将认为目标节点失效。

c 复制代码
/* Cluster node structure */
typedef struct clusterNode {
    char name[40];      /* Node ID */
    int flags;          /* Node flags: master, slave, fail, etc. */
    int ping_sent;      /* Last time a ping was sent */
    int pong_received;  /* Last time a pong was received */
    // other fields...
} clusterNode;

/* Function to check for node failures */
void clusterCron(void) {
    mstime_t now = mstime();
    dictIterator *di;
    dictEntry *de;

    di = dictGetSafeIterator(server.cluster->nodes);
    while((de = dictNext(di)) != NULL) {
        clusterNode *node = dictGetVal(de);

        if (node->flags & CLUSTER_NODE_MYSELF) continue;

        if (now - node->pong_received > server.cluster_node_timeout) {
            // Mark the node as failing
            node->flags |= CLUSTER_NODE_PFAIL;
        }
    }
    dictReleaseIterator(di);
}

故障转移

当一个主节点失效后,由从节点中的一个进行接管。故障转移的过程包括选择一个新的主节点和更新集群状态。

c 复制代码
/* Function to trigger failover */
void clusterHandleSlaveFailover(clusterNode *slave) {
    // Promote the slave to master
    slave->flags &= ~CLUSTER_NODE_SLAVE;
    slave->flags |= CLUSTER_NODE_MASTER;

    // Update the cluster state
    clusterUpdateState();
}

/* Function to update cluster state */
void clusterUpdateState(void) {
    // Iterate over all nodes and update the state
    dictIterator *di;
    dictEntry *de;

    di = dictGetSafeIterator(server.cluster->nodes);
    while((de = dictNext(di)) != NULL) {
        clusterNode *node = dictGetVal(de);

        if (node->flags & CLUSTER_NODE_MASTER) {
            // Update the master's state
        } else if (node->flags & CLUSTER_NODE_SLAVE) {
            // Update the slave's state
        }
    }
    dictReleaseIterator(di);
}

整合示例

以下是一个包含数据分片、通信和故障检测的完整示例:

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include "crc16.h"  // Assume crc16.h provides crc16 function
#include "dict.h"   // Assume dict.h provides a dictionary implementation
#include "mstime.h" // Assume mstime.h provides mstime function

#define CLUSTER_NODE_TIMEOUT 15000  // 15 seconds

typedef struct clusterNode {
    char name[40];      /* Node ID */
    int flags;          /* Node flags: master, slave, fail, etc. */
    int ping_sent;      /* Last time a ping was sent */
    int pong_received;  /* Last time a pong was received */
    int port;           /* Node port */
} clusterNode;

typedef struct clusterState {
    dict *nodes;        /* All known nodes in the cluster */
} clusterState;

clusterState *server.cluster;

/* Function to hash a key to a slot */
unsigned int keyHashSlot(char *key, int keylen) {
    return crc16(key, keylen) & 16383;
}

/* Function to send a message to a node */
void clusterSendMessage(clusterNode *node, const char *msg) {
    // In a real implementation, this would send the message over a network
    printf("Sending message to node %s: %s\n", node->name, msg);
}

/* Function to check for node failures */
void clusterCron(void) {
    mstime_t now = mstime();
    dictIterator *di;
    dictEntry *de;

    di = dictGetSafeIterator(server.cluster->nodes);
    while((de = dictNext(di)) != NULL) {
        clusterNode *node = dictGetVal(de);

        if (now - node->pong_received > CLUSTER_NODE_TIMEOUT) {
            // Mark the node as failing
            node->flags |= 0x01;  // Assume 0x01 represents the fail flag
            printf("Node %s marked as failing\n", node->name);
        }
    }
    dictReleaseIterator(di);
}

/* Entry point */
int main(void) {
    // Initialize the cluster state
    server.cluster = malloc(sizeof(clusterState));
    server.cluster->nodes = dictCreate();

    // Create and add nodes to the cluster
    clusterNode node1 = {"node1", 0, 0, mstime(), 6379};
    clusterNode node2 = {"node2", 0, 0, mstime(), 6379};
    dictAdd(server.cluster->nodes, node1.name, &node1);
    dictAdd(server.cluster->nodes, node2.name, &node2);

    // Simulate cron job
    clusterCron();

    // Simulate sending a message
    clusterSendMessage(&node1, "PING");

    // Cleanup
    dictRelease(server.cluster->nodes);
    free(server.cluster);

    return 0;
}

总结

Redis Cluster 通过数据分片、节点通信、故障检测和故障转移等机制实现了分布式架构。数据分片基于哈希槽进行,节点间通信通过集群总线实现,故障检测通过定期的 PING/PONG 消息完成,而故障转移则通过投票机制选择新的主节点并更新集群状态。上述代码示例展示了 Redis Cluster 的基本实现原理和关键组件。通过理解这些机制,可以更深入地了解 Redis Cluster 的工作原理,并根据需要进行扩展和优化。

相关推荐
晨非辰3 小时前
数据结构排序系列指南:从O(n²)到O(n),计数排序如何实现线性时间复杂度
运维·数据结构·c++·人工智能·后端·深度学习·排序算法
Filotimo_9 小时前
Spring Boot 整合 JdbcTemplate(持久层)
java·spring boot·后端
半桶水专家9 小时前
Go 语言时间处理(time 包)详解
开发语言·后端·golang
编程点滴9 小时前
Go 重试机制终极指南:基于 go-retry 打造可靠容错系统
开发语言·后端·golang
码事漫谈10 小时前
AI编程规模化实践:从1到100的工程化之道
后端
码事漫谈10 小时前
AI编程:更适合0到1的创意爆发,还是1到100的精雕细琢?
后端
码事漫谈10 小时前
Python与C#:从哲学到细节的全面对比
后端
码事漫谈10 小时前
Python与C++:从哲学到细节的全面对比
后端
喵个咪11 小时前
基于 Go-Kratos 与 MCP 的推荐服务实战指南
后端·深度学习·微服务