突破Java面试-Redis集群模式的原理

1 面试题

Redis集群模式的工做原理说一下？在集群模式下，key是如何寻址的？寻址都有哪些算法？了解一致性hash吗？

2 考点分析

Redis不断在发展-Redis cluster集群模式，能够作到在多台机器上，部署多个实例，每一个实例存储一部分的数据，同时每一个实例能够带上Redis从实例，自动确保说，若是Redis主实例挂了，会自动切换到redis从实例顶上来。

如今新版本，你们都是用Redis cluster的，也就是原生支持的集群模式，那么面试官确定会就redis cluster对你来个几连炮。要是你没用过redis cluster，正常，之前不少人用codis之类的客户端来支持集群，可是起码你得研究一下redis cluster

3 Redis如何在保持读写分离+高可用的架构下，还能横向扩容支撑1T+海量数据

• redis单master架构的容量的瓶颈问题

   

• redis如何经过master横向扩容支撑1T+数据量

3 数据分布算法：hash+一致性hash+redis cluster的hash slot

讲解分布式数据存储的核心算法，数据分布的算法

hash算法 -> 一致性hash算法（memcached） -> redis cluster，hash slot算法

用不一样的算法，就决定了在多个master节点的时候，数据如何分布到这些节点上去，解决这个问题，这里向你们推荐一个java架构交流q裙：790047143

4 Redis cluster

• 自动将数据分片，每一个master上放一部分数据
• 提供内置的高可用支持，部分master不可用时，还可继续工做

在Redis cluster架构下，每一个Redis要开放两个端口，好比一个是6379，另一个就是加10000的端口号，好比16379

16379端口用于节点间通讯，也就是cluster bus集群总线

cluster bus的通讯，用来故障检测，配置更新，故障转移受权

cluster bus用了另一种二进制的协议 - gossip，主要用于节点间高效的数据交换，占用更少的网络带宽和处理时间

• 最老土的hash算法和弊端（大量缓存重建）

三、一致性hash算法（自动缓存迁移）+虚拟节点（自动负载均衡）

• 一致性hash算法的讲解和优势

   

• 一致性hash算法的虚拟节点实现负载均衡

四、redis cluster的hash slot算法

 

redis cluster有固定的16384个hash slot，对每一个key计算CRC16值，而后对16384取模，能够获取key对应的hash slot

redis cluster中每一个master都会持有部分slot，好比有3个master，那么可能每一个master持有5000多个hash slot

hash slot让node的增长和移除很简单，增长一个master，就将其余master的hash slot移动部分过去，减小一个master，就将它的hash slot移动到其余master上去

移动hash slot的成本是很是低的

客户端的api，能够对指定的数据，让他们走同一个hash slot，经过hash tag来实现

5 节点间的内部通讯机制

5.1 基础通讯原理

用于维护集群的元数据

5.1.1 集中式

• 集中式的集群元数据存储和维护
  
   

  将集群元数据（节点信息，故障等）集中存储在某个节点
• 优势
  元数据的更新和读取，时效性好，一旦元数据出现变动，当即更新到集中式的存储中，其余节点读取时当即就可感知
• 缺点
  全部的元数据的跟新压力所有集中在一个地方，可能会致使元数据的存储有压力

Redis cluster节点间采起的另外一种称为gossip的协议

互相之间不断通讯，保持整个集群全部节点的数据是完整的

gossip：好处在于，元数据的更新比较分散，不是集中在一个地方，更新请求会陆陆续续，打到全部节点上去更新，有必定的延时，下降了压力; 缺点，元数据更新有延时，可能致使集群的一些操做会有一些滞后

咱们刚才作reshard，去作另一个操做，会发现说，configuration error，达成一致

（2）10000端口

每一个节点都有一个专门用于节点间通讯的端口，就是本身提供服务的端口号+10000，好比7001，那么用于节点间通讯的就是17001端口

每隔节点每隔一段时间都会往另外几个节点发送ping消息，同时其余几点接收到ping以后返回pong

（3）交换的信息

故障信息，节点的增长和移除，hash slot信息，等等

5.1.2 gossip协议

• gossip协议维护集群元数据

   

  协议包含多种消息

meet

某节点发送meet给新加入的节点，让新节点加入集群，而后新节点就会开始与其余节点通讯

redis-trib.rb add-node

其实内部就是发送了一个gossip meet消息给新节点，通知该节点加入集群

ping

每一个节点都会频繁给其余节点发ping，其中包含本身的状态还有本身维护的集群元数据，互相经过ping交换元数据

ping很频繁，并且要携带一些元数据，可能会加剧网络的负担

每一个节点每s会执行10次ping，每次会选择5个最久没有通讯的其余节点。固然若是发现某个节点通讯延时达到了

cluster_node_timeout / 2

那么当即发送ping，避免数据交换延时过长，落后的时间太长了。好比说，两节点之间已经10分钟没有交换数据，那么整个集群处于严重的元数据不一致的状况，就会有问题。因此 cluster_node_timeout 能够调节，若是调节比较大，那么会下降发送频率

每次ping，一个是带上本身节点的信息，还有就是带上1/10其余节点的信息，发送出去，进行数据交换。至少包含3个其余节点的信息，最多包含总节点-2个其余节点的信息

pong

返回ping和meet，包含本身的状态和其余信息，也可用于信息广播和更新

fail

某个节点判断另外一个节点fail后，就发送fail给其余节点，通知其余节点，指定的节点宕机啦！

6 面向集群的Jedis内部实现原理

开发Jedis，Redis的Java客户端

jedis cluster api与redis cluster集群交互的一些基本原理

6.1 基于重定向的客户端

redis-cli -c，自动重定向

6.1.1 请求重定向

客户端可能会挑选任意一个Redis实例去发送命令，每一个实例接收到命令，都会计算key对应的hash slot

若在本地就在本地处理，不然返回moved给客户端，让客户端重定向

cluster keyslot mykey

可查看一个key对应的hash slot是什么

用redis-cli的时候，可加入 -c 参数，支持自动的请求重定向，redis-cli接收到moved以后，会自动重定向到对应的节点执行命令

6.1.2 计算hash slot

计算hash slot的算法，就是根据key计算CRC16值，而后对16384取模，拿到对应的hash slot

用hash tag能够手动指定key对应的slot，同一个hash tag下的key，都会在一个hash slot中，好比set mykey1:{100}和set mykey2:{100}

6.1.3 hash slot查找

节点间经过gossip协议数据交换，就知道每一个hash slot在哪一个节点上

6.2 smart jedis

6.2.1 什么是smart jedis

基于重定向的客户端，很消耗网络IO，由于大部分状况下，可能都会出现一次请求重定向，才能找到正确的节点

因此大部分的客户端，好比java redis客户端，就是jedis，都是smart的

本地维护一份hashslot -> node的映射表，缓存，大部分状况下，直接走本地缓存就能够找到hashslot -> node，不须要经过节点进行moved重定向

6.2.2 JedisCluster的工做原理

在JedisCluster初始化的时候，就会随机选择一个node，初始化hashslot -> node映射表，同时为每一个节点建立一个JedisPool链接池

每次基于JedisCluster执行操做，首先JedisCluster都会在本地计算key的hashslot，而后在本地映射表找到对应的节点

若是那个node正好仍是持有那个hashslot，那么就ok; 若是说进行了reshard这样的操做，可能hashslot已经不在那个node上了，就会返回moved

若是JedisCluter API发现对应的节点返回moved，那么利用该节点的元数据，更新本地的hashslot -> node映射表缓存

重复上面几个步骤，直到找到对应的节点，若是重试超过5次，那么就报错，JedisClusterMaxRedirectionException

jedis老版本，可能会出如今集群某个节点故障还没完成自动切换恢复时，频繁更新hash slot，频繁ping节点检查活跃，致使大量网络IO开销

jedis最新版本，对于这些过分的hash slot更新和ping，都进行了优化，避免了相似问题，这里向你们推荐一个java架构交流q裙：790047143

6.2.3 hashslot迁移和ask重定向

若是hash slot正在迁移，那么会返回ask重定向给jedis

jedis接收到ask重定向以后，会从新定位到目标节点去执行，可是由于ask发生在hash slot迁移过程当中，因此JedisCluster API收到ask是不会更新hashslot本地缓存

已经能够肯定说，hashslot已经迁移完了，moved是会更新本地hashslot->node映射表缓存的

7 高可用性与主备切换原理

原理，几乎跟哨兵相似

7.1 判断节点宕机

若一个节点认为另一个节点宕机，即 pfail - 主观宕机

若多个节点都认为另一个节点宕机，即 fail - 客观宕机

跟哨兵的原理几乎同样，sdown - odown

在 cluster-node-timeout 内，某个节点一直没有返回 pong ，那么就被认为 pfail

若一个节点认为某个节点 pfail ，那么会在 gossip ping 消息中， ping 给其余节点，若 超过半数 的节点都认为 pfail ，那么就会变成 fail

7.2 从节点过滤

对宕机的master node，从其全部的slave node中，选择一个切换成master node

检查每一个slave node与master node断开链接的时间，若是超过了

cluster-node-timeout * cluster-slave-validity-factor

那么就没有资格切换成master，这个也跟哨兵是同样的，从节点超时过滤的步骤

7.3 从节点选举

哨兵：对全部从节点进行排序，slave priority，offset，run id

每一个从节点，都根据本身对master复制数据的offset，设置一个选举时间，offset越大（复制数据越多）的从节点，选举时间越靠前，优先进行选举

全部的master node开始slave选举投票，给要选举的slave投票，若是大部分

master node（N/2 + 1）

都投票给了某从节点，那么选举经过，该从节点能够切换成master

从节点执行主备切换，从节点切换为主节点

7.4 与哨兵比较

整个流程跟哨兵相比，很是相似，因此说，redis cluster功能强大，直接集成了replication和sentinal的功能