【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：

bash 复制代码

# 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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

# 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：

bash 复制代码

# 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：

bash 复制代码

# 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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

ps -ef | grep redis | awk '{print $2}' | xargs kill

或者（推荐这种方式）：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

redis-cli -p 7001 cluster nodes

1.5 测试

尝试连接 7001 节点，存储一个数据：

bash 复制代码

# 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：

bash 复制代码

mkdir 7004

拷贝配置文件：

bash 复制代码

cp redis.conf /7004

修改配置文件：

bash 复制代码

sed /s/6379/7004/g 7004/redis.conf

启动：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

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：

bash 复制代码

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