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Redis学习笔记01-分布式缓存

2024-12-01 来源:个人技术集锦


一、Redis持久化

Redis有两种持久化方案:

  • RDB持久化

  • AOF持久化

1.RDB持久化

简单来说就是Redis为了保证数据的持久化,会在特定的时间将数据写到磁盘当中形成一个RDB文件进行保存。

1.1 RDB执行时机

RDB持久化在四种情况下会执行:

  • 执行save命令

  • 执行bgsave命令

  • Redis停机时

  • 触发RDB条件时

1)save命令

127.0.0.1:6379 > save

save命令会导致主进程执行RDB,这个过程中其它所有命令都会被阻塞。只有在数据迁移时可能用到。

2)bgsave命令

127.0.0.1:6379 > bgsave

这个命令执行后会开启独立进程完成RDB,主进程可以持续处理用户请求,不受影响,是异步的。

3)停机时

Redis停机时会执行一次save命令,实现RDB持久化

4)触发RDB文件

我们也可以在redis的config配置文件中进行配置,在达到某个条件时进行RDB持久化

# 900秒内,如果至少有1个key被修改,则执行bgsave , 如果是save "" 则表示禁用RDB
save 900 1  
save 300 10  
save 60 10000 

RDB的其他相关配置

# 是否压缩 ,建议不开启,压缩也会消耗cpu,磁盘的话不值钱
rdbcompression yes

# RDB文件名称
dbfilename dump.rdb  

# 文件保存的路径目录
dir ./

 1.2 RDB原理

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:

  • 当主进程执行读操作时,访问共享内存;

  • 当主进程执行写操作时,则会拷贝一份数据,执行写操作。

在主进程执行写操作时,物理内存会将数据拷贝一份作为副本给主进程写,写完之后再同步到子进程。

1.3 小结

RDB方式bgsave的基本流程?

  • fork主进程得到一个子进程,共享内存空间

  • 子进程读取内存数据并写入新的RDB文件

  • 用新RDB文件替换旧的RDB文件

RDB会在什么时候执行?save 60 1000代表什么含义?

  • 默认是服务停止时

  • 代表60秒内至少执行1000次修改则触发RDB

RDB的缺点?

  • RDB执行间隔时间长,两次RDB之间写入数据有丢失的风险

  • fork子进程、压缩、写出RDB文件都比较耗时

2.AOF持久化

2.1 AOF原理

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。

2.2 AOF配置

AOF默认是关闭的,要想使用AOF持久化还需要到redis的配置文件中配置一下

# 是否开启AOF功能,默认是no
appendonly yes
# AOF文件的名称
appendfilename "appendonly.aof"

AOF的命令记录的频率也可以通过redis.conf文件来配:

# 表示每执行一次写命令,立即记录到AOF文件
appendfsync always 
# 写命令执行完先放入AOF缓冲区,然后表示每隔1秒将缓冲区数据写到AOF文件,是默认方案
appendfsync everysec 
# 写命令执行完先放入AOF缓冲区,由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘
appendfsync no

 

2.3 AOF文件重写

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。

127.0.0.1:6379 > BGREWIRTEAOF

如图,AOF原本有三个命令,但是set num 123 和 set num 666都是对num的操作,第二次会覆盖第一次的值,因此第一个命令记录下来没有意义。

所以重写命令后,AOF文件内容就是:mset name jack num 666

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:

# AOF文件比上次文件 增长超过多少百分比则触发重写
auto-aof-rewrite-percentage 100
# AOF文件体积最小多大以上才触发重写 
auto-aof-rewrite-min-size 64mb 

3.RDB和AOF的区别

我们在开发中一般是具体问题具体分析,往往是相结合来使用

二、Redis主从架构

单节点Redis的并发能力是有上限的,要进一步提高Redis的并发能力,就需要搭建主从集群,实现读写分离。

1.搭建主从架构

搭建Redis的主从架构集群还是很简单的,只需要启动多个redis实例,然后在从节点上执行slaveof命令就好了。

假设开启了三个redis实例,分别为

我们想让B和C成为A的从节点,如下

#选择7002端口的redis实例(B)
redis.cli -p 7002

#执行命令
127.0.0.1:7002 > slaveof 127.0.0.1 7001
#选择7003端口的redis实例(C)
redis.cli -p 7003

#执行命令
127.0.0.1:7003 > slaveof 127.0.0.1 7001

这时候BC就都成为A的“奴隶”了,这时候A中“set num 123”,B和C都能get到这个num,但不能set。

2.数据同步原理

2.1全量同步

在从节点连接主节点时,需要对主节点的数据进行同步。

这里有一个问题,master如何得知salve是第一次来连接呢??

有几个概念,可以作为判断依据:

  • 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

  • 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。

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。

因为slave原本也是一个master,有自己的replid和offset,当第一次变成slave,与master建立连接时,发送的replid和offset是自己的replid和offset。

master判断发现slave发送来的replid与自己的不一致,说明这是一个全新的slave,就知道要做全量同步了。

master会将自己的replid和offset都发送给这个slave,slave保存这些信息。以后slave的replid就与master一致了。

因此,master判断一个节点是否是第一次同步的依据,就是看replid是否一致

如图:

完整流程描述:

  • slave节点请求增量同步

  • master节点判断replid,发现不一致,拒绝增量同步

  • master将完整内存数据生成RDB,发送RDB到slave

  • slave清空本地数据,加载master的RDB

  • 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

  • slave执行接收到的命令,保持与master之间的同步

2.2增量同步

全量同步需要先做RDB,然后将RDB文件通过网络传输个slave,成本太高了。因此除了第一次做全量同步,其它大多数时候slave与master都是做增量同步

什么是增量同步?就是只更新slave与master存在差异的部分数据。如图:

那么master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?

2.3 repl_baklog原理

master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?

这就要说到全量同步时的repl_baklog文件了。

这个文件是一个固定大小的数组,只不过数组是环形,也就是说角标到达数组末尾后,会再次从0开始读写,这样数组头部的数据就会被覆盖。

repl_baklog中会记录Redis处理过的命令日志及offset,包括master当前的offset,和slave已经拷贝到的offset:

当红色的master饶了一圈咬到了slave的尾巴时,也就是未同步的数据被覆盖,这时候slave只能进行全量同步,因为有些增量已经被覆盖找不到了。

repl_baklog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。

2.4主从同步优化

我们要尽量避免全量同步,因为全量同步涉及RDB文件的生成,速度会比较慢。

可以从以下几个方面来优化Redis主从就集群:

  • 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。

  • 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

  • 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

  • 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

主从从架构图:

2.5小结

简述全量同步和增量同步区别?

  • 全量同步:master将完整内存数据生成RDB,发送RDB到slave。后续命令则记录在repl_baklog,逐个发送给slave。

  • 增量同步:slave提交自己的offset到master,master获取repl_baklog中从offset之后的命令给slave

什么时候执行全量同步?

  • slave节点第一次连接master节点时

  • slave节点断开时间太久,repl_baklog中的offset已经被覆盖时

什么时候执行增量同步?

  • slave节点断开又恢复,并且在repl_baklog中能找到offset时

三、Redis哨兵机制

Redis提供了哨兵(Sentinel)机制来实现主从集群的自动故障恢复。

1.集群结构和作用

集群的结构图如下:

哨兵的作用如下:

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

  • 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

  • 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

2.集群监控原理

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:

•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

•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。

3.集群故障恢复原理

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:

  • 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

  • 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

  • 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

  • 最后是判断slave节点的运行id大小,越小优先级越高。

当选出一个新的master后,该如何实现切换呢?

流程如下:

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

  • 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。

  • 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

4.小结

Sentinel的三个作用是什么?

  • 监控

  • 故障转移

  • 通知

Sentinel如何判断一个redis实例是否健康?

  • 每隔1秒发送一次ping命令,如果超过一定时间没有相向则认为是主观下线

  • 如果大多数sentinel都认为实例主观下线,则判定服务下线

故障转移步骤有哪些?

  • 首先选定一个slave作为新的master,执行slaveof no one

  • 然后让所有节点都执行slaveof 新master

  • 修改故障节点配置,添加slaveof 新master

四、分片集群

1.概述

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

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:

  • 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

3.小结

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

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