探索Redis集群：（二）数据操作与节点增减

前情提要：

计划接下来用两周的时间，搞清楚Redis Cluster的相关内容。既然要深入了解集群，自然就需要解答以下几个基本问题：

1. 集群中各节点的表现形式是什么？节点的增加和减少是怎样进行的？
2. 数据在集群中是如何分布的？集群是如何处理读写操作的？在节点增减的时候，如何确保读写操作的正常进行？
3. 集群是如何发现故障的？一旦发现故障，又是怎样进行处理的？
4. 这种集群方式有没有什么局限？使用时有什么注意事项？
5. 实际怎么搭建一个Redis集群？怎么使用？

今天继续讨论：Redis集群 -（二）数据分布与增减节点

也就是分片（sharding）。

Redis Cluster通过一种称为 哈希槽（hash slot） 的机制来管理数据的分布以及读写操作的处理。

这个机制允许Redis Cluster实现高性能和高可用性，同时保证了数据的一致性和分布式处理。下面详细解释这些部分的具体做法和原理。

1. 数据在集群中的分布

Redis Cluster将所有的数据分成16384个哈希槽，每个键通过CRC16算法对16384取模的结果决定了它属于哪个哈希槽。 集群中的每个节点负责维护一部分哈希槽及其对应的键值对。 这种方式使得数据被平均分布在所有节点上，实现了数据的分布式存储和负载均衡。

举个例子，下图的Redis集群：

• 物理节点1中部署分片A的主节点和分片B的从节点
• 物理节点2中部署分片B的主节点和分片C的从节点
• 物理节点3中部署分片C的主节点和分片A的从节点
• 分片A负责[0 - 5500]的槽位
• 分片B负责[5501 - 11001]的槽位
• 分片C负责[11001 - 16383]的槽位

2. 集群如何处理读写操作

2.1 写操作

当客户端尝试写入一个键时，Redis客户端库会根据键计算出它所属的哈希槽。 然后将这个写操作发送到负责该哈希槽的节点。 如果客户端连接的不是负责该哈希槽的节点，那么该节点会返回一个重定向信息，告诉客户端应该连接到哪个节点。 客户端接收到重定向后，会连接到正确的节点并重新发送写操作。

也就是下面的过程：

2.2 读操作

读操作的处理方式与写操作类似。 客户端会计算键所属的哈希槽，并尝试从负责该哈希槽的节点读取数据。 如果连接的节点不是负责该哈希槽的节点，会发生重定向，客户端根据重定向信息连接到正确的节点进行读取。

3. 节点变化时的读写操作

3.1 新增节点

当向集群中添加新节点时，部分哈希槽会从现有节点迁移到新节点上。 这个过程中，涉及到的键值对也会被迁移到新节点。

在迁移过程中，旧节点会知道这些哈希槽正在迁移到哪个新节点，如果在迁移期间有对这些正在迁移的哈希槽的访问请求，旧节点会重定向客户端到新节点。

3.1.1 怎么增加一个节点

以下操作基于Redis 5.0以上，5.0以上的版本可以使用redis-cli --cluster reshard命令对Redis集群进行重分片操作，在之前的版本需要基于Ruby环境使用redis-trib.rb对Redis集群进行创建、修复、重分片等操作。

a. 启动新的Redis实例

首先，在新的服务器或容器上启动一个Redis实例，并修改Redis的配置文件以使其作为集群模式运行。以下是一些关键的配置选项：

• cluster-enabled yes：启用集群模式。
• cluster-config-file nodes.conf：指定集群配置文件的名称，Redis会自动管理这个文件。
• cluster-node-timeout 5000：设置节点超时时间（毫秒）。
• appendonly yes：启用AOF持久化。 假设新Redis实例将运行在192.168.1.100上，端口为6379，可以使用以下命令启动Redis实例：

redis-server /path/to/your/redis.conf

b. 将新节点添加到集群

使用redis-cli工具将新节点添加到集群中。需要使用--cluster add-node命令，指定新节点的IP和端口，以及集群中任意一个现有节点的IP和端口：

redis-cli --cluster add-node 192.168.1.100:6379 192.168.1.50:6379

这里，192.168.1.100:6379是新节点的地址，而192.168.1.50:6379是集群中任意一个现有节点的地址。

c. 迁移键到新节点

添加新节点后，集群会自动接受这个节点，但它一开始不会持有任何数据。 可以使用redis-cli的--cluster reshard命令来迁移一部分键到新节点，以平衡集群的负载。 这个步骤需要指定要迁移的槽数，新节点的ID，以及一个或多个源节点的ID。

redis-cli --cluster reshard 192.168.1.50:6379

在执行上面的命令时，会进入一个交互式会话，用来引导完成reshard过程。

3.1.2 数据迁移过程中的读写操作

新增节点并进行reshard是比较简单的，根据命令进行操作就可以了。 但是如果reshard过程中，正在迁移槽位的一部分数据迁移到了目标节点，一部分数据还在源节点，这时正好发生的读写操作是怎么处理的呢？

以下数据迁移的过程保障了对正在迁移的key的读写请求也能被正确处理：

a. 迁移标记

当开始迁移一个哈希槽时，源节点（即数据迁出的节点）会标记这个槽为MIGRATING状态，目标节点（即数据迁入的节点）则将这个槽标记为IMPORTING状态。这两个状态表明了哈希槽正在迁移过程中。

b. 数据访问和迁移

• 读操作：如果客户端尝试读取一个正在迁移的键，而这个键还在源节点上，源节点可以直接返回这个键的值。如果键已经被迁移到目标节点，源节点会返回一个特殊的重定向错误，告诉客户端应该从新的节点（目标节点）读取数据。
• 写操作：对于写操作，如果目标节点收到了对一个IMPORTING状态槽中键的写请求，它会正常接受这个写操作。如果写操作发生在源节点，并且这个键正好被迁移，源节点会先将这个键迁移到目标节点，然后再执行写操作。

c. 原子迁移

每个键的迁移是原子的，意味着在迁移过程中，任何对这个键的访问要么是在源节点完成，要么在完成迁移后在目标节点上进行。这确保了数据的一致性。

下图描述了在迁移过程中一个key的读写处理过程：

3.2 移除节点

需要注意，这里讨论的移除节点不是移除一个从节点，而是移除一个主节点或者移除一个分片。

当从集群中移除节点时，需要对原节点上的数据进行迁移，迁移过程中发生的读写操作和上面类似。

在数据迁移完成后，就可以移除节点了。

以下是移除主节点的步骤：

a. 迁移哈希槽

首先，需要使用redis-cli --cluster reshard命令将要移除的分片（主节点）上的所有哈希槽迁移到集群中的其他节点：

redis-cli --cluster reshard <target-node-ip>:<port>

b. 迁移主节点的从节点

如果主节点有关联的从节点，需要将这些从节点指向集群中的其他主节点。通过CLUSTER REPLICATE命令来完成：

redis-cli -h <slave-node-ip> -p <port> CLUSTER REPLICATE <new-master-node-id>

c. 从集群配置中移除节点

一旦所有数据都迁移出去，并且从节点都重新指向了其他的主节点，就可以从集群配置中移除这个分片的主节点和从节点：

redis-cli --cluster del-node <any-cluster-node-ip>:<port> <node-id-to-remove>

这里的<any-cluster-node-ip>:<port>是集群中任何存活节点的地址，而<node-id-to-remove>是要移除的节点的ID。

d. 确认集群状态

在移除节点之后，使用redis-cli --cluster check命令来确认集群的健康状态：

redis-cli --cluster check <any-cluster-node-ip>:<port>

这次讨论了Redis集群中数据是如何分布的、读写操作是如何在集群中进行的、集群扩缩容的操作步骤以及数据迁移过程中的读写操作。

后续将讨论集群的故障发现与转移过程。