分布式缓存

一、Redis 持久化

1. RDB持久化

RDB 全称 Redis Database Backup file（Redis 数据备份文件），也被叫做 Redis 数据快照。简单来说就是把内存中的所有数据都记录到磁盘中。当 Redis 实例故障重启后，从磁盘读取快照文件，恢复数据。

快照文件称为 RDB 文件，默认是保存在当前运行目录。

Redis 停机时会执行一次 RDB。 

Redis 内部有触发 RDB 的机制，可以在 redis.conf 文件中找到，格式如下：

RDB 的其它配置也可以在 redis.conf 文件中设置：

bgsave 开始时会 fork 主进程得到子进程，子进程共享主进程的内存数据。完成 fork 后读取内存数据并写入 RDB 文件。 fork 采用的是 copy-on-write 技术：

（1）当主进程执行读操作时，访问共享内存；

（2）当主进程执行写操作时，则会拷贝一份数据，执行写操作。

2. AOF持久化

AOF 全称为 Append Only File（追加文件）。Redis 处理的每一个写命令都会记录在 AOF 文件，可以看做是命令日志文件。

AOF 默认是关闭的，需要修改 redis.conf 配置文件来开启 AOF：

AOF 的命令记录的频率也可以通过 redis.conf 文件来配： 

 

因为是记录命令，AOF 文件会比 RDB 文件大的多。而且 AOF 会记录对同一个 key 的多次写操作，但只有最后一次写操作才有意义。通过执行 bgrewriteaof 命令，可以让 AOF 文件执行重写功能，用最少的命令达到相同效果。

Redis 也会在触发阈值时自动去重写 AOF 文件。阈值也可以在 redis.conf 中配置：

3. RDB 和 AOF 的对比

二、Redis 主从

1. 搭建主从架构

假设有 A、B 两个 Redis 实例，如何让 B 作为 A 的 slave 节点？

在 B 节点执行命令：slaveof A的IP A的port

2. 主从数据同步原理

 master 如何判断 slave 是不是第一次来同步数据？这里会用到两个很重要的概念：

（1）Replication Id：简称replid，是数据集的标记，id 一致则说明是同一数据集。每一个master 都有唯一的replid，slave 则会继承 master 节点的 replid

（2）offset：偏移量，随着记录在 repl_baklog 中的数据增多而逐渐增大。slave 完成同步时也会记录当前同步的 offset。如果 slave 的 offset 小于 master 的offset，说明 slave 数据落后于master，需要更新。

（3）因此 slave 做数据同步，必须向 master 声明自己的 replication id 和 offset，master 才可以判断到底需要同步哪些数据

简述全量同步的流程

（1）slave 节点请求增量同步

（2）master 节点判断 replid，发现不一致，拒绝增量同步

（3）master 将完整内存数据生成RDB，发送 RDB 到slave

（4）slave清空本地数据，加载master的RDB

（5）master 将 RDB 期间的命令记录在 repl_baklog，并持续将log中的命令发送给slave （6）slave 执行接收到的命令，保持与 master 之间的同步

主从第一次同步是全量同步，但如果 slave 重启后同步，则执行增量同步 

repl_baklog（环形数组） 大小有上限，写满后会覆盖最早的数据。如果 slave 断开时间过久，导致尚未备份的数据被覆盖，则无法基于 log 做增量同步，只能再次全量同步。

可以从以下几个方面来优化 Redis 主从就集群：

（1）在 master 中配置 repl-diskless-sync yes 启用无磁盘复制，避免全量同步时的磁盘IO。

（2）Redis 单节点上的内存占用不要太大，减少 RDB 导致的过多磁盘 IO

（3）适当提高 repl_baklog 的大小，发现 slave 宕机时尽快实现故障恢复，尽可能避免全量同步

（4）限制一个 master 上的 slave 节点数量，如果实在是太多 slave，则可以采用主-从-从链式结构，减少 master 压力

三、Redis 哨兵

1. 哨兵的作用和原理

Redis 提供了哨兵（Sentinel）机制来实现主从集群的自动故障恢复。哨兵的结构和作用如下：

（1）监控：Sentinel 会不断检查您的 master 和 slave 是否按预期工作

（2）自动故障恢复：如果 master 故障，Sentinel 会将一个 slave 提升为 master。当故障实例恢复后也以新的 master 为主

（3）通知：Sentinel 充当 Redis 客户端的服务发现来源，当集群发生故障转移时，会将最新信息推送给 Redis 的客户端

1.1 服务状态监控

Sentinel 基于心跳机制监测服务状态，每隔1秒向集群的每个实例发送 ping 命令：

（1）主观下线：如果某sentinel节点发现某实例未在规定时间响应，则认为该实例主观下线。

（2）客观下线：若超过指定数量（quorum）的 sentinel 都认为该实例主观下线，则该实例客观下线。quorum 值最好超过 Sentinel 实例数量的一半。

1.2 选举新的 master

一旦发现 master 故障，sentinel 需要在 salve 中选择一个作为新的master，选择依据是这样的：

（1）首先会判断 slave 节点与 master 节点断开时间长短，如果超过指定值（down-after-milliseconds * 10）则会排除该 slave 节点

（2）然后判断 slave 节点的 slave-priority 值，越小优先级越高，如果是0则永不参与选举

（3）如果 slave-prority 一样，则判断 slave 节点的 offset 值，越大说明数据越新，优先级越高

（4）最后是判断 slave 节点的运行 id 大小，越小优先级越高。

1.3 如何实现故障转移

当选中了其中一个 slave 为新的 master 后（例如 slave1），故障的转移的步骤如下：

（1）sentinel 给备选的 slave1 节点发送 slaveof no one 命令，让该节点成为 master

（2）sentinel 给所有其它 slave 发送 slaveof 192.168.150.101 7002 命令，让这些 slave 成为新 master 的从节点，开始从新的 master 上同步数据。

（3）最后，sentinel 将故障节点标记为 slave，当故障节点恢复后会自动成为新的 master 的slave 节点

2. 搭建哨兵集群

3. RedisTemplate的哨兵模式

在 Sentinel 集群监管下的 Redis 主从集群，其节点会因为自动故障转移而发生变化，Redis 的客户端必须感知这种变化，及时更新连接信息。Spring 的 RedisTemplate 底层利用 lettuce 实现了节点的感知和自动切换。

（1）在pom文件中引入redis的starter依赖：

（2） 然后在配置文件application.yml中指定sentinel相关信息：

（3）配置主从读写分离

 这里的ReadFrom是配置Redis的读取策略，是一个枚举，包括下面选择：

（1）MASTER：从主节点读取

（2）MASTER_PREFERRED：优先从master节点读取，master不可用才读取replica

（3）REPLICA：从slave（replica）节点读取

（4）REPLICA _PREFERRED：优先从slave（replica）节点读取，所有的slave都不可用才读取master

四、Redis 分片集群 

1. 搭建分片集群

1.1 分片集群结构

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：

（1）海量数据存储问题

（2）高并发写的问题

使用分片集群可以解决上述问题，分片集群特征：

（1）集群中有多个 master，每个 master 保存不同数据

（2）每个 master 都可以有多个 slave 节点

（3）master 之间通过 ping 监测彼此健康状态

（4）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

2. 散列插槽

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：

（1）key 中包含"{}"，且“{}”中至少包含1个字符，“{}”中的部分是有效部分

（2）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。

2.1 Redis 如何判断某个 key 应该在哪个实例？

（1）将16384个插槽分配到不同的实例

（2）根据key的有效部分计算哈希值，对16384取余

（3）余数作为插槽，寻找插槽所在实例即可

2.2 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

3.1 添加一个节点到集群

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：

4. 故障转移

4.1 当集群中有一个master宕机会发生什么呢？

（1）首先是该实例与其它实例失去连接

（2）然后是疑似宕机：

（3）最后是确定下线，自动提升一个slave为新的master：

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：

手动的Failover支持三种不同模式：

（1）缺省（推荐）：默认的流程，如图1~6歩

（2）force：省略了对 offset 的一致性校验

（3）takeover：直接执行第5歩，忽略数据一致性、忽略 master 状态和其它 master 的意见

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：

（1）引入redis的starter依赖

（2）配置分片集群地址

（3）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：