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精华!Redis 知识总结

  • 2023-04-14
    湖南
  • 本文字数:6443 字

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精华!Redis 知识总结

1. Redis 概览

Redis 和 memcache 的区别,Redis 支持的数据类型应用场景

  1. redis 支持的数据结构更丰富(string,hash,list,set,zset)。memcache 只支持 key-value 的存储;

  2. redis 原生支持集群,memcache 没有原生的集群模式。

2. Redis 单线程模型

redis 单线程处理请求流程

redis 采用 IO 多路复用机制来处理请求,采用 reactor IO 模型, 处理流程如下:

  1. 首先接收到客户端的 socket 请求,多路复用器将 socket 转给连接应答处理器;

  2. 连接应答处理器将 AE_READABLE 事件与命令请求处理器关联(这里是把 socket 事件放入一个队列);

  3. 命令请求处理器从 socket 中读到指令,再内存中执行,并将 AE_WRITEABLE 事件与命令回复处理器关联;

  4. 命令回复处理器将结果返回给 socket,并解除关联。


redis 单线程效率高的原因

  1. 非阻塞 IO 复用(上图流程), I/O 多路复用分派事件,事件处理器处理事件(这个可以理解为注册的一段函数,定义了事件发生的时候应该执行的动作), 这里分派事件和处理事件其实都是同一个线程;

  2. 纯内存操作效率高;

  3. 单线程反而避免了多线程切换。


3. Redis 过期策略

  1. 对 key 设置有效期,redis 的删除策略: 定期删除+惰性删除。

  • 定期删除指的是 redis 默认每 100ms 就随机抽取一些设置了过期事件的 key ,检查是否过期,如果过期就删除。如果 redis 设置了 10 万个 key 都设置了过期时间,每隔几百毫秒就要检查 10 万个 key 那 CPU 负载就很高了,所以 redis 并不会每隔 100ms 就检查所有的 key,而是随机抽取一些 key 来检查。

  • 但这样会导致有些 key 过期了并没有被删除,所以采取了惰性删除。意思是在获取某个 key 的时候发现过期了,如果 key 过期了就删除掉不会返回。

这两个策略结合起来保证过期的 key 一定会被删除。

  1. 最大内存淘汰(maxmemory-policy)

如果 redis 内存占用太多,就会进行内存淘汰。有如下策略:

  • noeviction: 如果内存不足以写入数据, 新写入操作直接报错;

  • allkeys-lru: 内存不足以写入数据,移除最近最少使用的 key(最常用的策略);

  • allkeys-random: 内存不足随机移除几个 key;

  • volatile-lru: 在设置了过期时间的 key 中,移除最近最少使用;

  • volatile-random: 设置了过期的时间的 key 中,随机移除几个。


4. Redis 主从模式保证高并发和高可用(哨兵模式)

读写分离

单机的 Redis 的 QPS 大概就在上万到几万不等,无法承受更高的并发。

读写分离保证高并发(10W+ QPS):对于缓存来说一般都是支撑高并发读,写请求都是比较少的。采用读写分离的架构(一主多从),master 负责接收写请求,数据同步到 slave 上提供读服务,如果遇到瓶颈只需要增加 slave 机器就可以水平扩容

主从复制机制

redis replication 机制:

  • redis 采取异步复制到 slave 节点;

  • slave 节点做复制操作的时候是不会 block 自己的,它会使用旧的数据集来提供服务,复制。完成后,删除旧的数据集,加载新的数据集,这个时候会暂停服务(时间很短暂);

  • 如果采用了主从架构,master 需要开启持久化。如果 master 没有开启持久化(rdb 和 aof 都关闭了)。master 宕机重启后数据是空的,然后经过复制就把所有 slave 的数据也弄丢了。

即使采用高可用的的哨兵机制,可能 sentinal 还没有检测到 master failure,master 就自动重启了,还是会导致 slave 清空故障。

主从同步流程

  1. 当 slave 启动时会发送一个 psync 命令给 master;

  2. 如果是重新连接 master,则 master node 会复制给 slave 缺少的那部分数据;

  3. 如果是 slave 第一次连接 master,则会触发一次全量复制(full resynchronization)。开始 full resynchronization 的时候,master 会生成一份 rdb 快照,同时将客户端命令缓存在内存,rdb 生成完后,就发送给 slave,slave 先写入磁盘在加载到内存。然后 master 将缓存的命令发送给 slave。


哨兵(sentinal)模式介绍

哨兵是 redis 集群架构的一个重要组件,主要提供如下功能:

  • 集群监控:负责监控 master 和 slave 是否正常工作;

  • 消息通知:如果某个 redis 实例有故障, 哨兵负责发消息通知管理员;

  • 故障转移: 如果 master node 发生故障,会自动切换到 slave;

  • 配置中心:如果故障转移发生了,通知客户端新的 master 地址。

哨兵的核心知识:

  • 哨兵至少三个,保证自己的高可用;

  • 哨兵+主从的部署架构是用来保证 redis 集群高可用的,并非保证数据不丢失;

  • 哨兵(Sentinel)需要通过不断的测试和观察才能保证高可用。

为什么哨兵只有两个节点无法正常工作


假设哨兵集群只部署了 2 个哨兵实例,quorum=1。

master 宕机的时候,s1 和 s2 只要有一个哨兵认为 master 宕机 j 就可以进行切换,并且会从 s1 和 s2 中选取一个来进行故障转移。这个时候是需要满足 majority,也就是大多数哨兵是运行的,2 个哨兵的 majority 是 2,如果 2 个哨兵都运行着就允许执行故障转移。如果 M1 所在的机器宕机了,那么 s1 哨兵也就挂了,只剩 s2 一个,没有 majorityl 来允许执行故障转移,虽然集群还有一台机器 R1,但是故障转移也不会执行。

如果是经典的三哨兵集群,如下:


此时 majority 也是 2,就算 M1 所在的机器宕机了,哨兵还是剩下两个 s2 和 s3,它们满足 majority 就可以允许故障转移执行。

哨兵核心底层原理

  1. sdown 和 odown 两种失败状态;

  • sdown 是主观宕机,就是一个哨兵觉得 master 宕机了,达成条件是如果一个哨兵 ping master 超过了 is-master-down-after-milliseconds 指定的毫秒数后就认为主观宕机;

  • odown 是客观宕机,如果一个哨兵在指定时间内收到了 majority(大多数) 数量的哨兵也认为那个 master 宕机了,就是客观宕机。

  1. 哨兵之间的互相发现:哨兵是通过 redis 的 pub/sub 实现的。

5. Redis 数据的恢复(Redis 的持久化)

RDB

RDB 原理

RDB(Redis DataBase)是将某一个时刻的内存快照(Snapshot),以二进制的方式写入磁盘的过程。

RDB 有两种方式 save 和 bgsave:

  • save: 执行就会触发 Redis 的持久化,但同时也是使 Redis 处于阻塞状态,直到 RDB 持久化完成,才会响应其他客户端发来的命令;

  • bgsave: bgsave 会 fork() 一个子进程来执行持久化,整个过程中只有在 fork() 子进程时有短暂的阻塞,当子进程被创建之后,Redis 的主进程就可以响应其他客户端的请求了。

RDB 配置

除了使用 save 和 bgsave 命令触发之外, RDB 支持自动触发。

自动触发策略可配置 Redis 在指定的时间内,数据发生了多少次变化时,会自动执行 bgsave 命令。在 redis 配置文件中配置:

在时间 m 秒内,如果 Redis 数据至少发生了 n 次变化,那么就自动执行BGSAVE命令。save m n
复制代码

RDB 优缺点

  1. RDB 的优点:

  • RDB 会定时生成多个数据文件,每个数据文件都代表了某个时刻的 redis 全量数据,适合做冷备,可以将这个文件上传到一个远程的安全存储中,以预定好的策略来定期备份 redis 中的数据;

  • RDB 对 redis 对外提供读写服务的影响非常小,redis 是通过 fork 主进程的一个子进程操作磁盘 IO 来进行持久化的;

  • 相对于 AOF,直接基于 RDB 来恢复 reids 数据更快。

  1. RDB 的缺点:

  • 如果使用 RDB 来恢复数据,会丢失一部分数据,因为 RDB 是定时生成的快照文件;

  • RDB 每次来 fork 出子进程的时候,如果数据文件特别大,可能会影响对外提供服务,暂停数秒(主进程需要拷贝自己的内存表给子进程, 实例很大的时候这个拷贝过程会很长)。latest_fork_usec 代表 fork 导致的延时;Redis 上执行 INFO 命令查看 latest_fork_usec;当 RDB 比较大的时候, 应该在 slave 节点执行备份, 并在低峰期执行。

AOF

AOF 原理

redis 对每条写入命令进行日志记录,以 append-only 的方式写入一个日志文件,redis 重启的时候通过重放日志文件来恢复数据集。(由于运行久了 AOF 文件会越来越大,redis 提供一种 rewrite 机制,基于当前内存中的数据集,来构建一个更小的 AOF 文件,将旧的庞大的 AOF 文件删除)。rewrite 即把日志文件压缩, 通过 bgrewriteaof 触发重写。AOF rewrite 后台执行的方式和 RDB 有类似的地方,fork 一个子进程,主进程仍进行服务,子进程执行 AOF 持久化,数据被 dump 到磁盘上。与 RDB 不同的是,后台子进程持久化过程中,主进程会记录期间的所有数据变更(主进程还在服务),并存储在 server.aof_rewrite_buf_blocks 中;后台子进程结束后,Redis 更新缓存追加到 AOF 文件中,是 RDB 持久化所不具备的。

AOF 的工作流程如下:

  1. Redis 执行写命令后,把这个命令写入到 AOF 文件内存中(write 系统调用);

  2. Redis 根据配置的 AOF 刷盘策略,把 AOF 内存数据刷到磁盘上(fsync 系统调用);

  3. 根据 rewrite 相关的配置触发 rewrite 流程。

AOF 配置

  1. appendonly: 是否启用 AOF(yes | no);

  2. appendfsync: 刷盘的机制:

  • always:主线程每次执行写操作后立即刷盘,此方案会占用比较大的磁盘 IO 资源,但数据安全性最高;

  • everysec:主线程每次写操作只写内存就返回,然后由后台线程每隔 1 秒执行一次刷盘操作(触发 fsync 系统调用),此方案对性能影响相对较小,但当 Redis 宕机时会丢失 1 秒的数据;

  • no:主线程每次写操作只写内存就返回,内存数据什么时候刷到磁盘,交由操作系统决定,此方案对性能影响最小,但数据安全性也最低,Redis 宕机时丢失的数据取决于操作系统刷盘时机。

  1. auto-aof-rewrite-percentage: 当 aof 文件相较于上一版本的 aof 文件大小的百分比达到多少时触发 AOF 重写。举个例子,auto-aof-rewrite-percentage 选项配置为 100,上一版本的 aof 文件大小为 100M,那么当我们的 aof 文件达到 200M 的时候,触发 AOF 重写;

  2. auto-aof-rewite-min-size:最小能容忍 aof 文件大小,超过这个大小必须进行 AOF 重写;

  3. no-appendfsync-on-rewrite: 设置为 yes 表示 rewrite 期间对新写操作不 fsync,暂时存在内存中,等 rewrite 完成后再写入,默认为 no。

AOF 优缺点

  1. AOF 的优点:

  • 可以更好的保证数据不丢失,一般 AOF 每隔 1s 通过一个后台线程来执行 fsync(强制刷新磁盘页缓存),最多丢失 1s 的数据;

  • AOF 以 append-only 的方式写入(顺序追加),没有磁盘寻址开销,性能很高;

  • AOF 即使文件很大, 触发后台 rewrite 的操作的时候一般也不会影响客户端的读写,(rewrite 的时候会对其中指令进行压缩,创建出一份恢复需要的最小日志出来)。

在创建新的日志文件的时候,老的文件还是照常写入,当新的文件创建完成后再交换新老日志。但是还是有可能会影响到主线程的写入, 如:


当磁盘的 IO 负载很高,那这个后台线程在执行 AOF fsync 刷盘操作(fsync 系统调用)时就会被阻塞住, ,紧接着,主线程又需要把数据写到文件内存中(write 系统调用),但此时的后台子线程由于磁盘负载过高,导致 fsync 发生阻塞,迟迟不能返回,那主线程在执行 write 系统调用时,也会被阻塞住,直到后台线程 fsync 执行完成后,主线程执行 write 才能成功返回。这时候主线程就无法响应客户端的请求, 可能会导致客户端请求 redis 超时。具体类似:https://blog.csdn.net/mmgithub123/article/details/124507846

  • AOF 日志文件通过非常可读的方式进行记录,这个特性适合做灾难性的误操作的紧急恢复,比如不小心使用 flushall 清空了所有数据,只要 rewrite 没有发生,就可以立即拷贝 AOF,将最后一条 flushall 命令删除,再回放 AOF 恢复数据。

  1. AOF 的缺点:

  • 同一份数据,因为 AOF 记录的命令会比 RDB 快照文件更大;

  • AOF 开启后,支持写的 QPS 会比 RDB 支持写的 QPS 要低,毕竟 AOF 有写磁盘的操作。

总结

总结 AOF 和 RDB 该如何选择:两者综合使用,将 AOF 配置成每秒 fsync 一次。RDB 作为冷备,AOF 用来保证数据不丢失的恢复第一选择,当 AOF 文件损坏或不可用的时候还可以使用 RDB 来快速恢复。

6. Redis 集群模式(redis cluster)

在主从部署模式上,虽然实现了一定程度的高并发,并保证了高可用,但是有如下限制:

  • master 数据和 slave 数据一模一样,master 的数据量就是集群的限制瓶颈;

  • redis 集群的写能力也受到了 master 节点的单机限制。

在高版本的 Redis 已经原生支持集群(cluster)模式,可以多 master 多 slave 部署,横向扩展 Redis 集群的能力。Redis Cluster 支持 N 个 master node ,每个 master node 可以挂载多个 slave node。

redis cluster 介绍

  1. 自动将数据切片,每个 master 上放一部分数据;

  2. 提供内置的高可用支持,部分 master 不可用时还是能够工作;

  3. redis cluster 模式下,每个 redis 要开放两个端口:6379 和 10000+以后的端口(如 16379)。16379 是用来节点之间通信的,使用的是 cluster bus 集群总线。cluster bus 用来做故障检测,配置更新,故障转移授权。

redis cluster 负载均衡

redis cluster 采用 一致性 hash+虚拟节点 来负载均衡。redis cluster 有固定的 16384 个 slot (2^14),对每个 key 做 CRC16 值计算,然后对 16384 mod。可以获取每个 key 的 slot。redis cluster 每个 master 都会持有部分 slot,比如 三个 master 那么 每个 master 就会持有 5000 多个 slot。hash slot 让 node 的添加和删除变得很简单,增加一个 master,就将其他 master 的 slot 移动部分过去,减少一个就分给其他 master,这样让集群扩容的成本变得很低。

cluster 基础通信原理(gossip 协议)

与集中式不同(如使用 zookeeper 进行分布式协调注册),redis cluster 使用的是 gossip 协议进行通信。并不是将集群元数据存储在某个节点上,而是不断的互相通信,保持整个集群的元数据是完整的。gossip 协议所有节点都持有一份元数据,不同节点的元数据发生了变更,就不断的将元数据发送给其他节点,让其他节点也进行元数据的变更。

集中式的好处:元数据的读取和更新时效性很好,一旦元数据变化就更新到集中式存储,缺点就是元数据都在一个地方,可能导致元数据的存储压力。

对于 gossip 来说:元数据的更新会有延时,会降低元数据的压力,缺点是操作是元数据更新可能会导致集群的操作有一些滞后。

redis cluster 主备切换与高可用

  1. 判断节点宕机:如果有一个节点认为另外一个节点宕机,那就是 pfail,主观宕机。如果多个节点认为一个节点宕机,那就是 fail,客观宕机。跟哨兵的原理一样;

  2. 对宕机的 master,从其所有的 slave 中选取一个切换成 master node,再次之前会进行一次过滤,检查每个 slave 与 master 的断开时间,如果超过了 cluster-node-timeout * cluster-slave-validity-factor 就没有资格切换成 master;

  3. 从节点选取:每个从节点都会根据从 master 复制数据的 offset,来设置一个选举时间,offset 越大的从节点,选举时间越靠前,master node 开始给 slave 选举投票,如果大部分 master(n/2+1)都投给了某个 slave,那么选举通过(与 zk 有点像,选举时间类似于 epochid);

  4. 整个流程与哨兵类似,可以说 redis cluster 集成了哨兵的功能,更加的强大;

  5. Redis 集群部署相关问题 redis 机器的配置,多少台机器,能达到多少 qps?

  6. 机器标准:8 核+32G

  7. 集群: 5 主+5 从(每个 master 都挂一个 slave)

  8. 效果: 每台机器最高峰每秒大概 5W,5 台机器最多就是 25W,每个 master 都有一个从节点,任何一个节点挂了都有备份可切换成主节点进行故障转移

  9. 脑裂问题哨兵模式下:

  10. master 下 挂载了 3 个 slave,如果 master 由于网络抖动被哨兵认为宕机了,执行了故障转移,从 slave 里面选取了一个作为新的 master,这个时候老的 master 又恢复了,刚好又有 client 连的还是老的 master,就会产生脑裂,数据也会不一致,比如 incr 全局 id 也会重复。

  11. redis 对此的解决方案是:min-slaves-to-write 1 至少有一个 slave 连接 min-slaves-max-lag 10 slave 与 master 主从复制延迟时间如果连接到 master 的 slave 数小于最少 slave 的数量,并且主从复制延迟时间超过配置时间,master 就拒绝写入 12。client 连接 redis 多 tcp 连接的考量首先 redis server 虽然是单线程来处理请求, 但是他是多路复用的, 单 tcp 连接肯定是没有多 tcp 连接性能好, 多路复用一个 io 周期得到的就绪 io 事件越多, 处理的就越多。这也不是绝对的, 如果使用 pipeline 的方式传输, 单连接会比多连接性能好, 因为每一个 pipeline 的单次请求过多也会导致单周期到的命令太多, 性能下降多少个连接比较合适这个问题, redis cluser 控制在每个节点 100 个连接以内。

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