《Redis设计与实现》读书笔记（二十八） ——Redis集群节点结构与槽分配
《Redis设计与实现》读书笔记（二十八） ——Redis集群节点结构与槽分配
《Redis设计与实现》读书笔记（二十八） ——Redis集群节点结构与槽分配
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一、概述
redis集群是redis的分布式数据库的解决方案，集群通过分片（sharding）来进行数据共享，并提供复制和故障转移的功能。
二、集群的节点
1、节点组成
一个redis集群由多个节点组成，每个节点是一个运行在集群模式下的redis服务器。集群还没建立好时，每个节点可以看成是一个独立的集群，将各个节点联系起来，就会形成一个真正有效的集群。
集群的命令是，clustermeet <ip> <port>，向一个节点node发送此命令发送给另一节点，可以让节点node与发送的ip:port进行一次握手，成功后node将记录该ip与port，添加到集群中。
clusternode命令，可以查看当前节点的集群。
2、启动节点
启动节点的时候，服务器会根据redis配置文件中的cluster-enabled选项，来决定该服务器是否开启集群模式。
由于节点也是一个redis服务器，因此其会使用redis服务器的各种特性，包括用文件事件来处理命令和回复、执行serverCron定时函数、键值对保存的方式、rdb与aof持久化、发布订阅、复制、lua脚本环境与执行lua脚本过程、用redisServer保存服务器状态、redisClient保存客户端状态等。
但是，集群的节点也有一些特殊性，包括特有的定时函数clusterCron（用于节点的其他数据发送gossip消息，检查节点是否断线，检查是否需要对下线节点进行故障转移等），另外还有集群节点特殊的数据结构，保存在cluster.h文件中，包括clusterNode、clusterLink、clusterState等。
三、集群节点数据结构
1、clusterNode结构
该结构保存节点的当前状态，包括名字、ip地址、创建时间、配置纪元、端口号等。集群里的每个节点，都会建立一个clusterNode来记录自身状态，并为集群中的其他节点（包括主从节点）建立相应的clusterNode结构。
主要信息如下：
struct clusterNode{
mstime_t ctime;//节点创建的时间
char name[REDIS_CLUSTER_NAMELEN];//节点名称，由40位16进制字符组成
int flags;//节点标识，标记节点主从、是否下线等状态
uint64_tconfigEpoch;//节点创建纪元，用于故障转移
char ip[REDIS_IP_STR_LEN];//节点ip地址
int port;//节点端口号
clusterLink *link;//保存节点所需的有关信息
//….其他内容省略
}2、clusterLink结构
该结构是保存在clusterNode中的一个属性，其用于保存节点所需有关信息，如套接字描述符、输入缓冲区和输出区缓冲等。
typedef struct clusterLink{
mstime_t ctime;//节点连接的创建时间
int fd;//套接字描述符
sds sndbuf;//输出缓冲区，保存等待发送给其他节点的信息
sds rcvbuf;//输入缓冲区，保存从其他节点接收到的的信息
struct clusterNode*node;//与这个连接相关的节点，没有就是null
}redisClient和clusterLink结构都有套接字和相应的输入和输出缓冲区，但是区别在于redisClient是用于连接客户端，clusterLink用于连接其他节点。
3、clusterState结构
每个节点都保存一个这个结构，记录当前节点视角下，集群目前所处的状态，例如集群是否在线、当前有几个节点、当前配置纪元等。
typedef struct clusterState{
clusterNode *myself;//指向当前节点的指针
uint64_tcurrentEpoch;//集群当前配置纪元，用于故障转移
int state;//集群当前状态，是否在线
int size;//集群中至少处理一个槽的节点数量
dict *nodes;//集群节点名单，包括myself节点，键是节点名称，值是对应的cluster Node结构
//….其他信息
}clusterState;4、节点结构
三个节点组成的集群，如下图所示：
其中，每个节点都会有一个这样的结构，区别在于myself指针都是指向各自节点自己。
4、cluster meet实现
cluster meet <ip> <port>，对节点a发节点b的ip，则将节点b加入到节点a的集群中，同时节点b也会将jieda加入到集群中。流程如下：
1）节点a为节点b创建一个clusterNode结构，并将该结构添加到自己的clusterState.nodes字典里面。
2）节点a根据ip和端口号，给节点b发送一条meet消息。
3）b会为a创建一个clusterNode，也添加到b自己的clusterState.nodes。
4）b向a回复pong信息。
5）a收到后，会再给b发送一个ping信息。
6）b接收到a的ping信息后，握手完成。
握手流程如下：
7）之后，节点a会将节点b的信息，以gossip协议传播给a当前集群中的其他节点，这样其他节点也会与b进行上述操作。
四、槽（slot）指派
1、概述
redis集群通过分片的方式，来保存键值对。集群的整个数据库被分为16384个槽，数据库中的每个键，都属于16384个槽中的一个，集群每个节点可以处理0~16384个槽。
当集群中，每一个槽都有节点在处理时，则这个集群是上线（ok）的状态；任意一个槽没有节点处理，则该集群下线（fail）。
采用命令cluster info，可以查看当前集群的状态，ok是上线，fail是下线。
通过向节点发送clusteraddslots <slot1> [slot2 slot3 ….]命令，可以将槽指派给节点。槽是用数字从0~16383进行编号的。
在哪个节点输入clusteraddslots，则对该节点指派槽。
2、记录节点指派信息
节点指派的槽的信息，记录在clusterNode结构体中：
struct clusterNode{
//….其他信息
unsigned char slots[16384/8];//二进制数组
int numslots;//节点处理的槽数量
};slots是一个二进制位数组，长度是2048个字节，共包含16384个二进制位。每一个下标代表8个槽，用二进制位表示。如果节点负责某个槽，则数组下标对应的二进制位的相应位置的值是1，否则是0。
例如，下图中的数组，表示节点负责的槽是1、3、5、8、9、10这几个。
使用二进制的方式，目的是便于获取、修改节点负责的槽，因为时间复杂度都是O(1)。
3、传播节点槽指派信息
节点被分配了槽，不仅会记录在节点自身的clusterNode结构体，还会将信息传播给集群的其他节点。
节点a收到节点b的槽分配信息，会从自身记录节点b信息clusterNode的结构中，相应的属性slots与numslots记录槽的位置与槽的数量。
4、记录集群所有槽指派信息
指派信息记录在clusterState结构体中：
typedef stuct clusterState{
//….其他信息
clusterNode *slots[16384];
}clusterState;这个结构体中，数组每个下标表示一个槽，下标的值都是指针，指向负责该槽的节点。如果某个数组下标是null，表示目前没有节点负责该槽。
redis的设计非常巧妙，该slots属性可以快速找到每个槽对于的负责的节点，而节点内部clusterNode结构的slots，可以快速查找、改变某个节点负责的槽，且获取某个节点负责的全部槽的速度比从clusterState的slots中快得多。
5、槽指派的实现
槽指派之前，会先检查槽是否已经有节点负责，如果一个或以上的槽已经有节点负责，则停止指派，并且报错。
如果所有槽都没有节点负责，则修改clusterState的slots数组，将每个槽下标的值指向该节点的clusterNode结构；并修改该clusterNode的slots数组，将槽对应的二进制位置设置成1。
例如，执行命令clusteraddslots 1 2，节点变化如下：
完成上述命令写入后，节点会发消息通知集群的其他节点。
—written by linhxx 2017.09.15