聊聊 Redis 高可用原理
大家好，我是樓仔！
Redis 的高可用，太重要啦！之前找工作面試，這個問題面試的頻率都能排到前幾，尤其是一些大廠，先不要著急看文章，如果面試官給你拋這么個問題，你會怎么回答呢，可以先想 5 分鐘。
這里要等待 5 分鐘 ...
其實我也可以偷個懶，完全轉載其它博客，但是沒有找到我想要的，為了不辜負廣大粉絲，樓哥還是單獨給大家寫一篇，主要根據這塊知識，再結合之前的一些面試情況，給大家嘮嘮。
1. Redis 分片策略
1.1 Hash 分片
我們都知道，對于 Reids 集群，我們需要通過 hash 策略，將 key 打在 Redis 的不同分片上。
假如我們有 3 臺機器，常見的分片方式為 hash(IP)%3，其中 3 是機器總數。
目前很多小公司都這么玩，上手快，簡單粗暴，但是這種方式有一個致命的缺點：當增加或者減少緩存節點時，總節點個數發生變化，導致分片值發生改變，需要對緩存數據做遷移。
那如何解決該問題呢，答案是一致性 Hash。
1.2 一致性 Hash
一致性哈希算法是 1997 年由麻省理工學院提出的一種分布式哈希實現算法。
環形空間：按照常用的 hash 算法來將對應的 key 哈希到一個具有 2^32 次方個桶的空間中，即 0~(2^32)-1 的數字空間中，現在我們可以將這些數字頭尾相連，想象成一個閉合的環形。
Key 散列 Hash 環：現在我們將 object1、object2、object3、object4 四個對象通過特定的 Hash 函數計算出對應的 key 值，然后散列到 Hash 環上。
機器散列 Hash 環：假設現在有 NODE1、NODE2、NODE3 三臺機器，以順時針的方向計算，將所有對象存儲到離自己最近的機器中，object1 存儲到了 NODE1，object3 存儲到了 NODE2，object2、object4 存儲到了 NODE3。
節點刪除：如果 NODE2 出現故障被刪除了，object3 將會被遷移到 NODE3 中，這樣僅僅是 object3 的映射位置發生了變化，其它的對象沒有任何的改動。
添加節點：如果往集群中添加一個新的節點 NODE4，object2 被遷移到了 NODE4 中，其它對象保持不變。
通過對節點的添加和刪除的分析，一致性哈希算法在保持了單調性的同時，還使數據的遷移達到了最小，這樣的算法對分布式集群來說是非常合適的，避免了大量數據遷移，減小了服務器的的壓力。
如果機器個數太少，為了避免大量數據集中在幾臺機器，實現平衡性，可以建立虛擬節點（比如一臺機器建立 3-4 個虛擬節點），然后對虛擬節點進行 Hash。
2. 高可用方案
很多時候，公司只給我們提供一套 Redis 集群，至于如何計算分片，我們一般有 2 套成熟的解決方案。
客戶端方案：也就是客戶端自己計算 Redis 分片，無論你使用Hash 分片，還是一致性 Hash，都是由客戶端自己完成。
客戶端方案簡單粗暴，但是只能在單一語言系統之間復用，如果你使用的是 PHP 的系統，后來 Java 也需要使用，你需要用 Java 重新寫一套分片邏輯。
為了解決多語言、不同平臺復用的問題，就衍生出中間代理層方案。
中間代理層方案：將客戶端解決方案的經驗移植到代理層中，通過通用的協議（如 Redis 協議）來實現在其他語言中的復用，用戶無需關心緩存的高可用如何實現，只需要依賴你的代理層即可。
代理層主要負責讀寫請求的路由功能，并且在其中內置了一些高可用的邏輯。
你可以看看，你們公司的 Redis 使用的是哪種方案呢？對于“客戶端方案”，其實有的也不用自己去寫，比如負責維護 Redis 的部門會提供不同語言的 SDK，你只需要去集成對應的 SDK 即可。
3. 高可用原理
3.1 Redis 主從
Redis 基本都通過“主 - 從”模式進行部署，主從庫之間采用的是讀寫分離的方式。
同 MySQL 類似，主庫支持寫和讀，從庫只支持讀，數據會先寫到主庫，然后定時同步給從庫，具體的同步規則，主要將 RDB 日志從主庫同步給從庫，然后從庫讀取 RDB 日志，這里比較復雜，其中還涉及到 replication buffer，就不再展開。
這里有個問題，一次同步過程中，主庫需要完成 2 個耗時操作：生成 RDB 文件和傳輸 RDB 文件。
如果從庫數量過多，主庫忙于 fock 子進程生成 RDB 文件和數據同步，會阻塞主庫正常請求。
這個如何解決呢？答案是 “主 - 從 - 從” 模式。
為了避免所有從庫都從主庫同步 RDB 日志，可以借助從庫來完成同步：比如新增 3、4 兩個 Slave，可以等 Slave 2 同步完后，再通過 Slave 2 同步給 Slave 3 和 Slave 4。
如果我是面試官，我可能會繼續問，如果數據同步了 80%，網絡突然終端，當網絡后續又恢復后，Redis 會如何操作呢？
3.2 Redis 分片
這個有點像 MySQL 分庫分表，將數據存儲到不同的地方，避免查詢時全部集中到一個實例。
其實還有一個好處，就是數據進行主從同步時，如果 RDB 數據過大，會嚴重阻塞主線程，如果用分片的方式，可以將數據分攤，比如原來有 10 GB 的數據，分攤后，每個分片只有 2 GB。
可能有同學會問，Redis 分片，和“主 - 從”模式有啥關系呢？你可以理解，圖中的每個分片都是主庫，每個分片都有自己的“主 - 從”模式結構。
那么數據如何找到對應的分片呢，前面其實已經講過，假如我們有 3 臺機器，常見的分片方式為 hash(IP)%3，其中 3 是機器總數，hash 值為機器 IP，這樣每臺機器就有自己的分片號。
對于 key，也可以采用同樣的方式，找到對應的機器分片號 hash(key)%3，hash 算法有很多，可以用 CRC16(key)，也可以直接取 key 中的字符，通過 ASCII 碼轉換成數字。
3.3 Redis 哨兵機制
3.3.1 什么是哨兵機制 ？
在主從模式下，如果 master 宕機了，從庫不能從主庫同步數據，主庫也不能提供讀寫功能。
怎么辦呢 ？這時就需要引入哨兵機制 ！
哨兵節點是特殊的 Redis 服務，不提供讀寫服務，主要用來監控 Redis 實例節點。
那么當 master 宕機，哨兵如何執行呢？
3.3.2 判斷主機下線
哨兵進程會使用 PING 命令檢測它自己和主、從庫的網絡連接情況，用來判斷實例的狀態，如果哨兵發現主庫或從庫對 PING 命令的響應超時了，哨兵就會先把它標記為“主觀下線”。
那是否一個哨兵判斷為“主觀下線”，就直接下線 master 呢？
答案肯定是不行的，需要遵循 “少數服從多數” 原則：有 N/2+1 個實例判斷主庫“主觀下線”，才判定主庫為“客觀下線”。
比如上圖有 3 個哨兵，有 2 個判斷 “主觀下線”，那么就標記主庫為 “客觀下線”。
3.3.3 選取新主庫
我們有 5 個從庫，需要選取一個最優的從庫作為主庫，分 2 步：
篩選：檢查從庫的當前在線狀態和之前的網絡連接狀態，過濾不適合的從庫；
打分：根據從庫優先級、和舊主庫的數據同步接近度進行打分，選最高分作為主庫。
如果分數一致怎么辦 ？ Redis 也有一個策略：ID 號最小的從庫得分最高，會被選為新主庫。
當 slave 3 選舉為新主庫后，會通知其它從庫和客戶端，對外宣布自己是新主庫，大家都得聽我的哈！
今天就講這么多，我們下期見，大家都學廢了么 ？
