2W 字详解 Redis 集群环境搭建实践

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本文是Redis集群学习的实践总结（基于Redis 6.0+），详细介绍逐步搭建Redis集群环境的过程，并完成集群伸缩的实践。

Redis集群简介

Redis集群(Redis Cluster)是Redis提供的分布式数据库方案，通过分片(sharding)来进行数据共享，并提供复制和故障转移功能。相比于主从复制、哨兵模式，Redis集群实现了较为完善的高可用方案，解决了存储能力受到单机限制，写操作无法负载均衡的问题。

本文是Redis集群学习的实践总结，详细介绍逐步搭建Redis集群环境的过程，并完成集群伸缩的实践。

1 Redis集群环境搭建

方便起见，这里集群环境的所有节点全部位于同一个服务器上，共6个节点以端口号区分，3个主节点+3个从节点。集群的简单架构如图：

本文基于最新的Redis 6.0+，直接从github下载最新的源码编译获得常用工具 redis-server ,  redis-cli 。值得注意的是，从Redis 5.0以后的版本，集群管理软件 redis-trib.rb 被集成到 redis-cli 客户端工具中（详细可参考cluster-tutorial）。

本节介绍集群环境搭建时，并未借助 redis-trib.rb 快速管理，而是按照标准步骤一步步搭建，这也是为了熟悉集群管理的基本步骤。在集群伸缩实践一节将借助 redis-trib.rb 完成集群重新分片工作。

集群的搭建可以分为四步：

启动节点：将节点以集群方式启动，此时节点是独立的。

节点握手：将独立的节点连成网络。

槽指派：将16384个槽位分配给主节点，以达到分片保存数据库键值对的效果。

主从复制：为从节点指定主节点。

1.1 启动节点

每个节点初始状态仍为 Master服务器，唯一不同的是：使用 Cluster 模式启动。需要对配置文件进行修改，以端口号为6379的节点为例，主要修改如下几项：

其中 cluster-config-file 参数指定了集群配置文件的位置，每个节点在运行过程中，会维护一份集群配置文件；每当集群信息发生变化时（如增减节点），集群内所有节点会将最新信息更新到该配置文件；当节点重启后，会重新读取该配置文件，获取集群信息，可以方便的重新加入到集群中。也就是说，当Redis节点以集群模式启动时，会首先寻找是否有集群配置文件，如果有则使用文件中的配置启动，如果没有，则初始化配置并将配置保存到文件中。集群配置文件由Redis节点维护，不需要人工修改。

为6个节点修改好相应的配置文件后，即可利用 redis-server redis_xxxx_cluster.conf 工具启动6个服务器（xxxx表示端口号，对应相应的配置文件）。利用命令查看进程：

1.2 节点握手

1.1中将每个节点启动后，节点间是相互独立的，他们都处于一个只包含自己的集群当中，以端口号6379的服务器为例，利用 CLUSTER NODES 查看当前集群包含的节点。

我们需要将各个独立的节点连接起来，构成一个包含多个节点的集群，使用 CLUSTER MEET

命令。

再次查看此时集群中包含的节点情况：

可以发现此时6个节点均作为主节点加入到集群中， CLUSTER NODES 返回的结果各项含义如下：

节点id: 由40个16进制字符串组成，节点id只在集群初始化时创建一次，然后保存到集群配置文件（即前文提到的cluster-config-file）中，以后节点重新启动时会直接在集群配置文件中读取。

port@cport: 前者为普通端口，用于为客户端提供服务；后者为集群端口，分配方法为：普通端口+10000，只用于节点间的通讯。

其余各项的详细解释可以参考官方文档cluster nodes。

1.3 槽指派

Redis集群通过分片(sharding)的方式保存数据库的键值对，整个数据库被分为16384个槽(slot)，数据库每个键都属于这16384个槽的一个，集群中的每个节点都可以处理0个或者最多16384个slot。

槽是数据管理和迁移的基本单位。当数据库中的16384个槽都分配了节点时，集群处于上线状态（ok）；如果有任意一个槽没有分配节点，则集群处于下线状态（fail）。

注意，只有主节点有处理槽的能力，如果将槽指派步骤放在主从复制之后，并且将槽位分配给从节点，那么集群将无法正常工作（处于下线状态）。

利用 CLUSTER ADDSLOTS

槽指派后集群中节点情况如下：

1.4 主从复制

上述步骤后，集群节点均作为主节点存在，仍不能实现Redis的高可用，配置主从复制之后，才算真正实现了集群的高可用功能。

CLUSTER REPLICATE  用来让集群中接收命令的节点成为 node_id 所指定节点的从节点，并开始对主节点进行复制。

顺带补充，上述步骤1.2，1.3，1.4可以利用 redis-trib.rb 工具整体实现，在Redis 5.0之后直接利用 redis-cli 完成，参考命令如下：

--cluster-replicas 1 指示给定的创建节点列表是以主节点+从节点对组成的。

1.5 在集群中执行命令

集群此时处于上线状态，可以通过客户端向集群中的节点发送命令。接收命令的节点会计算出命令要处理的键属于哪个槽，并检查这个槽是否指派给自己。

如果键所在的slot刚好指派给了当前节点，会直接执行这个命令。

否则，节点向客户端返回 MOVED 错误，指引客户端转向 redirect 至正确的节点，并再次发送此前的命令。

此处，我们利用 CLUSTER KEYSLOT 查看到键 name 所在槽号为5798（被分配在6380节点），当对此键操作时，会被重定向到相应的节点。对键 fruits 的操作与此类似。

值得注意的是，当我们将命令通过客户端发送给一个从节点时，命令会被重定向至对应的主节点。

1.6 集群故障转移

集群中主节点下线时，复制此主节点的所有的从节点将会选出一个节点作为新的主节点，并完成故障转移。和主从复制的配置相似，当原先的从节点再次上线，它会被作为新主节点的的从节点存在于集群中。

下面模拟6379节点宕机的情况（将其SHUTDOWN），可以观察到其从节点6479将作为新的主节点继续工作。

6379节点从宕机状态恢复后，将作为6380节点的从节点存在。

前文提到 cluster-config-file 会记录下集群节点的状态，打开节点6379的配置文件 nodes-6379.conf ，可以看到 CLUSTER NODES 所示信息均被保存在配置文件中：

2 集群伸缩实践

集群伸缩的关键在于对集群的进行重新分片，实现槽位在节点间的迁移。本节将以在集群中添加节点和删除节点为例，对槽迁移进行实践。

借助于 redis-cli 中集成的 redis-trib.rb 工具进行槽位的管理，工具的帮助菜单如下：

2.1 集群伸缩-添加节点

考虑在集群中添加两个节点，端口号为6382和6482，其中节点6482对6382进行复制。

(1) 启动节点：按照1.1中介绍的步骤，启动6382和6482节点。

(2) 节点握手：借助 redis-cli --cluster add-node 命令分别添加节点6382和6482。

(4) 设置主从关系：

2.2 集群伸缩-删除节点

这里考虑将新添加的两个节点6382和6482删除，需要将节点6382上分配的槽位迁移到其他节点。

(1) 重新分片：同样借助 redis-cli --cluster reshard 命令，将6382节点上的槽位全部转移到节点6479上。

(2) 删除节点：利用 redis-cli --cluster del-node 命令依次删除从节点6482和主节点6382。

3 总结

Redis集群环境的搭建主要包括启动节点、节点握手、槽指派和主从复制等四个步骤，集群伸缩同样涉及这几个方面。借助 redis-cli --cluster 命令来管理集群环境，不仅能增加简便性，还能降低操作失误的风险。

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