Redis 系列（十一）：高可用（二）——Redis Cluster 集群

核心目标：理解 16384 个哈希槽的分片原理、gossip 通信与 MOVED/ASK 重定向；能搭建三主三从集群；理解集群模式的功能限制（CROSSSLOT、db0 only、多 key 命令）；能评估"哨兵 + 主从"与"集群"的选型。

前置知识 ：完成 Part 10（复制与故障转移------集群分片内仍依赖这些机制）。

验证环境 ：Redis 8.10.0（cygwin 移植版）；三主三从共 6 个隔离实例（6380-6385），redis-cli --cluster 创建。最后复核日期：2026-08-07。

0. 本篇问题场景：单主库的天花板

哨兵解决了"主库挂了自动切换"，但仍有三个上限：

写容量：所有写都打在一个主库，单线程 CPU 饱和后加机器没用；
内存容量：数据总量受单机内存限制，换大内存机器有成本上限；
故障半径：一次主库宕机，整个数据集不可写。

Redis Cluster 的答案：分片------把 16384 个哈希槽摊到多个主节点，每个主节点只服务自己那部分槽。写能力、内存容量、故障半径随之分摊。

1. 分片模型：16384 个哈希槽

1.1 槽的分配

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CLUSTER KEYSLOT order:1001     → slot 241      （节点 A）
CLUSTER KEYSLOT user:42        → slot 15880    （节点 C）
CLUSTER KEYSLOT product:9      → slot 264      （节点 A）

本实验三主节点分片（redis-cli --cluster create 自动分配）：

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127.0.0.1:6380  master  slots:[0-5460]
127.0.0.1:6381  master  slots:[5461-10922]
127.0.0.1:6382  master  slots:[10923-16383]
+ 6383/6384/6385 分别为三个主的从库

cluster info 的健康指标：

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cluster_state:ok
cluster_slots_assigned:16384    ← 槽全部有归属
cluster_known_nodes:6           ← 主从共 6 个节点

1.2 槽的计算：CRC16

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slot = CRC16(key) % 16384

16384 是固定值（不是节点数！）------槽是"逻辑位置"，节点是"物理位置"，两者解耦后，扩容/缩容只需要迁移槽，不需要重新哈希全部数据。

2. 请求路由：MOVED 与 ASK

2.1 MOVED：槽在别人那

客户端直连节点 A 请求一个属于节点 C 的 key，节点 A 返回 MOVED：

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$ redis-cli -p 6380 GET user:42
MOVED 15880 127.0.0.1:6382

MOVED 15880 127.0.0.1:6382 = "slot 15880 在 6382，去那里"。智能客户端（redis-py 的 RedisCluster、redis-cli -c）会缓存槽-节点映射并自动重定向：

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$ redis-cli -c -p 6380 SET user:42 "alice"
OK
$ redis-cli -c -p 6380 GET user:42
alice

2.2 ASK：槽正在迁移

槽迁移（扩容/缩容）期间，部分 key 已搬到目标节点。源节点对已搬走的 key 返回 ASK------与 MOVED 的区别：

	MOVED	ASK
含义	槽已永久属于对方	槽正在迁移，这个 key 暂时在对方
客户端处理	更新槽映射缓存	只重定向这一次，不更新缓存

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ASK 15880 127.0.0.1:6382

2.3 集群模式的功能限制

单节点可以跨 key 操作（MGET、事务、Lua），但槽不同就报 CROSSSLOT：

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$ redis-cli -p 6380 MGET order:1001 user:42
(error) CROSSSLOT Keys in request don't hash to the same slot

集群模式下的限制汇总：

能力	限制
多 key 命令（MGET/MSET/SUNION...）	所有 key 必须同槽
MULTI 事务 / Lua 脚本	涉及的 key 必须同槽
`SELECT`	只有 db 0
管道/发布订阅	部分支持，跨槽受限
单 key 大对象	不受限，但会倾斜（Part 4 大 key 危害放大）

2.4 hash tag：把相关 key 钉进同一槽

官方 7.4 支持 hash tag ：key 中 {...} 部分参与哈希，其余忽略。user:{42}:name 与 user:{42}:cart 同槽，从而支持同槽 MGET/事务/Lua。

⚠️ 本机 8.10.0（cygwin 移植版）实测 hash tag 未生效 ：CLUSTER KEYSLOT "user:{42}:name" = 6755、"user:{42}:cart" = 12984，不同槽！官方实现（cluster.c 的 keyHashSlot）应取 {} 内子串做 CRC16，本机移植版行为不符。该结论仅基于本机 8.10.0 移植版实测，标准发行版请在目标环境用 CLUSTER KEYSLOT 复核。

工程教训 ：hash tag 是"跨 key 操作"的前提，上线前必须用 CLUSTER KEYSLOT 实测确认 tag 生效，不能默认所有发行版行为一致。若 tag 不可用，跨 key 业务要么改单实例，要么应用层聚合。

3. 主从与故障转移

集群的每个分片仍是一主一从（复制机制同 Part 10）。从库不参与分片，只做副本：

主节点宕机 → 从库通过 gossip 检测（cluster-node-timeout，默认 15 秒）→ 从库自动提升为新主（无需哨兵！哨兵是集群外的独立组件，集群自带选举）；
数据与角色转移演示（本实验手动触发 CLUSTER FAILOVER）：

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$ redis-cli -p 6383 CLUSTER FAILOVER     # 6383 是 6380 的从
OK
$ redis-cli -p 6383 cluster nodes
127.0.0.1:6383@16383 myself,master       ← 从库接管成为主
$ redis-cli -p 6383 cluster info
cluster_state:ok                          ← 集群仍健康
$ redis-cli -c -p 6383 GET order:1001
paid                                      ← 数据可继续访问

自动故障转移同样有"检测时间 + 选举"的不可用窗口（默认 15 秒级），且部分分片宕机时，只有该分片的槽不可用------这是集群相对哨兵（整个数据集）的故障半径优势。

4. 扩容缩容：槽迁移

扩容 = 加节点 → 从现有主节点迁出部分槽 （reshard）：

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# 交互式迁移（或 --cluster-from/--cluster-to 指定源与目标）
redis-cli --cluster reshard 127.0.0.1:6380 \
  --cluster-from <源节点id> --cluster-to <新节点id> \
  --cluster-slots 1000 --cluster-yes

迁移期间访问中的 key 返回 ASK （§2.2），客户端需要处理。缩容同理反向迁移。槽迁移是数据拷贝，期间有内存/带宽开销------扩容要在低峰期做，且新节点先以"空槽主节点"加入。

5. 选型：哨兵 + 主从 vs 集群

维度	哨兵 + 主从	Redis Cluster
数据容量	单主上限	横向扩展（多分片）
写能力	单主上限	随分片增长
故障半径	整个数据集切换	仅宕机分片
复杂度	低（哨兵配置 + 客户端）	高（槽、重定向、跨槽限制）
跨 key 操作	无限制	受 CROSSSLOT 限制
适用	数据量 < 单机、写 QPS 可控	数据量/写 QPS 超单机

结论：能单机就单机，需要高可用加哨兵；只有当单机内存或写吞吐成为瓶颈时再上集群------集群的跨槽限制会反过来约束业务（多 key 操作、事务、Lua）。

6. 版本与环境差异

差异点	官方 7.4	本机 8.10.0（cygwin 移植版）
槽分配/重定向	一致	一致（MOVED/ASK 实测正常）
hash tag	`keyHashSlot` 支持 `{}`	实测未生效（§2.4）------上线前必须实测
故障转移	gossip + 从库提升	一致
集群命令	`redis-cli --cluster`	可用

7. 测试与验收

集群测试（隔离环境）：槽全覆盖（16384）、MOVED/ASK 重定向、CROSSSLOT 拒绝、CLUSTER FAILOVER 后数据可访问；
hash tag 验收：CLUSTER KEYSLOT 实测 {tag}:a 与 {tag}:b 同槽（本机环境不满足！）。

本篇验收清单：

能解释"16384 槽 vs 节点数"的解耦设计（扩容只需迁槽）；
能区分 MOVED（永久归属）与 ASK（迁移中临时指向）；
能说出集群模式下跨 key 操作的限制（CROSSSLOT）与 hash tag 的作用；
知道集群自带的从库提升机制与哨兵的差异；
能在"哨兵 + 主从"与"集群"之间给出选型依据；
搭建过三主三从集群并完成一次接管演练。

8. 常见误区

"集群 = 多台机器各存各的" ------是槽分片不是节点分片，节点只是槽的宿主；扩容迁移的是槽。
"集群可以替代哨兵"------集群自带故障转移，但跨 key 限制让很多业务无法直接迁移；小数据量上集群得不偿失（§5）。
"hash tag 所有版本都支持" ------本机 8.10 移植版实测不生效；必须 CLUSTER KEYSLOT 验证（§2.4）。
"MOVED 和 ASK 一样"------MOVED 永久更新路由缓存，ASK 只重定向单次（§2.2）。
"集群里随便 MGET"------跨槽报 CROSSSLOT；需要同槽（hash tag）或应用层聚合。

9. 本篇小结

分片：16384 槽解耦"逻辑位置"与"物理节点"，扩容=迁槽；
路由：MOVED（槽迁移后）/ ASK（槽迁移中）两种重定向；
限制：跨槽多 key 操作被 CROSSSLOT 拒绝，hash tag 是解药但必须实测；
选型：单机 → 哨兵 → 集群，逐级升级，集群的复杂度要用"确实超单机"来换取。

至此高可用三件套（复制、哨兵、集群）讲完。最后一篇 Part 12：性能、观测与生产排障把整条知识链收拢到"问题怎么查"：慢查询、延迟、大 key、热 key、连接治理与排障决策树。

10. 官方资料

Redis Cluster 文档：https://redis.io/docs/latest/operate/oss_and_stack/management/scaling/
Cluster 规范（槽、重定向、hash tag）：https://redis.io/docs/latest/operate/oss_and_stack/management/scaling/
CLUSTER 命令：https://redis.io/docs/latest/commands/cluster/
redis-py cluster：https://redis-py.readthedocs.io/en/stable/commands.html#redis-cluster