Redis实现分布式缓存

分布式缓存

在分布式缓存中常常使用redis的技术实现方案。

单节点redis存在的问题及解决方案

• 数据丢失问题
  • 解决方案：实现redis持久化
• 并发能力问题
  • 解决方案：搭建主从集群，实现读写分离
• 故障恢复问题
  • 解决方案：利用Redis哨兵，实现健康检测和自动恢复
• 存储能力问题
  • 解决方案：搭建分片集群，利用插槽机制实现动态扩容

Redis持久化

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

sava #由Redis主进程来执行RDB，会阻塞所有命令

bgsava #由子进程来执行RDB

bgsava开始时会fork主进程的到子进程，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

注意：关闭Redis时会自动执行一次RDB

那么是否只有关闭Redis时才会执行RDB呢？当然不是！

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

# sava 时间（单位秒） key修改次数
sava 900 1 #900秒内如果有一个key被修改则执行bgsava

注意：如果是 sava ""则关闭RDB

RDB的其他配置也可以在redis.conf文件中设置

#是否压缩，建议不开启，压缩也会消耗cpu，磁盘资源相对便宜
rdbcompression yes
	
#RDB文件名称
dbfilename dump.rdb

#文件保存的目录
dir ./

建议：生产环境下的redis不要修改避免造成数据丢失

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：

#是否开启AOF功能，默认是no
appendsync yes

#AOF文件名称
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
appendsync always

#写命令执行完先放入缓冲区，然后每隔1秒将缓冲区数据写入到AOF文件，是默认方案
appendsync everysec

#写命令执行完先放入缓冲区，由系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘
appendsync no

因为AOF是记录命令，所以AOF文件会比RDB文件大很多。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也会在出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文件体积超过多少就触发重写
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

RDB与AOF对比

RDB和AOF各有自己的优缺点，如果对数据的安全要求比较高就使用AOF反之则使用RDB,在实际的开发中往往会二者结合使用。

Redis主从

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

数据同步

master如何判断slave是不是第一次来同步数据?这里会用到两个概念：

• 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rep_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同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

全量同步步骤

• 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期间的命令记录到rep_baklog,并持续将log中的命令发送给slave
• slave执行接收到命令，保持与master之间的同步

增量同步步骤

• slave节点携带replid和offset请求增量同步
• master节点判断replid和offset，replid一致，offset落后于maset回复continue
• maset去repl_baklog中获取offset后的数据发送给slave
• slave执行命令

注意：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

Redis主从数据同步优化

• 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(会比较吃网络性能，带宽高的情况下使用)
• Redis单节点上的内存占用不要太大，减少RDB导致的过多内存损耗
• 适当提高repl-baklog的大小，发现slave宕机尽快实现故障恢复，尽可能避免全量同步
• 限制一个master上的slave节点数量，如果slave节点实在太多可以采用主-从-主链式结构,减少master压力

Redis哨兵

在主从结构中slave宕机之后可以从master节点恢复数据，那么master节点宕机之后呢？

这里就需要使用redis的哨兵来进行故障恢复，节点选举，服务监控

• 监控：Sentinel会不断检查你的master和slave是否按预期在工作
• 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客户端

Sentinel基于心跳机制检测服务状态，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。

quorun的值最好超过sentinel实例数量的一半

选举原则

一单发现master故障,sentinel需要在salve中选择一个新的master：

• 首先判断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则永远不参与选举
• 如果slave-proity值一样，则判断slave节点的offset值，越大说明数据越新，优先级越高
• 最后判断slave节点的运行id,越小优先级越高

故障迁移

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

• 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 新master IP 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,当故障节点恢复后自动成为新的slave节点

RedisTemplate集成哨兵模式

依赖

<dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>

配置

spring:
  redis:
    sentinel:
      master: mymaster
      nodes:
        - 127.0.0.1:27001
        - 127.0.0.1:27002
        - 127.0.0.1:27003

配置主从读写分离

@Bean
    public LettuceClientConfigurationBuilderCustomizer configurationBuilderCustomizer(){
        return configBuilder -> configBuilder.readFrom (ReadFrom.REPLICA_PREFERRED);
    }

ReadFrom读取策略

•MASTER：从主节点读取

•MASTER_PREFERRED：优先从master节点读取，master不可用才读取replica

•REPLICA：从slave（replica）节点读取

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

分片集群

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
• 高并发写问题

使用分片集群可以解决上述问题

• 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

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

数据key与插槽绑定。redis会根据kety有效部分计算插槽值，分两种情况：

key中包含“{}”，且"{}“中至少包含一个字符,”{}"中的部分是有效部分

key中不包含“{}”,整个key都是有效部分

例如：{typeId}typeName typeId是计算插槽值有效部分，key为typeIdtypeNema