Redis持久化主从哨兵分片集群

文章目录

    • 1. 单点Redis的问题
      • 数据丢失问题
      • 并发能力问题
      • 故障恢复问题
      • 存储能力问题
    • 2. Redis持久化 -> 数据丢失问题
      • RDB持久化
        • linux单机安装Redis步骤
        • RDB持久化与恢复示例
        • RDB机制
        • RDB配置示例
        • RDB的fork原理
        • 总结
      • AOF持久化
        • AOF配置示例
        • AOF文件重写
        • RDB与AOF对比
    • 3. Redis主从 -> 并发能力问题
      • 主从架构
        • 搭建主从架构示例
          • 集群架构
          • 准备实例和配置
          • 启动
          • 开启主从关系
          • 测试
      • 主从数据同步原理
        • 主从的全量同步原理
          • 简述全量同步的流程
        • 主从的增量同步原理
          • 主从数据同步优化点
        • 总结
    • 4. Redis哨兵 -> 故障恢复问题
    • 5. Redis分片集群 -> 存储能力问题

【redis学习篇】主从&哨兵&集群架构详解

1. 单点Redis的问题

在这里插入图片描述

数据丢失问题

Redis是内存存储,服务重启可能会丢失数据

并发能力问题

单节点Redis并发能力虽然不错,但也无法满足如618这样的高并发场景

故障恢复问题

如果Redis宕机,则服务不可用,需要一种自动的故障恢复手段

存储能力问题

Redis基于内存,单节点能存储的数据量难以满足海量数据需求

2. Redis持久化 -> 数据丢失问题

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。

在这里插入图片描述

save命令:由于redis是单线程执行的,使用此save命令时,主进程会阻塞其它的命令,而将数据持久化到磁盘的耗时比较久,等到save命令结束,主进程才能执行其它命令。不推荐使用此命令,它通常用在Redis停机时使用。

bgsave命令:后台异步执行,它会开启子进程执行RDB,避免主进程收到影响,推荐使用该命令作RDB。

Redis停机时会自动执行一次RDB(通过redis-cli连接上redis服务之后,输入shutdown命令即可让redis服务停止或者在redis未开启以守护模式运行时通过ctrl+c停止运行时,会自动执行一次RDB)。

linux单机安装Redis步骤

首先需要安装Redis所需要的依赖:

yum install -y gcc tcl

然后将课前资料提供的Redis安装包上传到虚拟机的任意目录:

在这里插入图片描述

例如,我放到了/tmp目录:

在这里插入图片描述

解压缩:

tar -xvf redis-6.2.4.tar.gz

解压后:

在这里插入图片描述

进入redis目录:

cd redis-6.2.4

运行编译命令:

make && make install

如果没有出错,应该就安装成功了(redis的默认安装位置是/usr/local/bin,在此/usr/local/bin目录下有:redis-server、redis-cli、redis-benchmark、redis-sentinel等可执行文件;同时在redis-6.2.4目录下有redis.conf和sentinel.conf配置文件;同时在redis-6.2.4目录下的是src目录中也有redis-server、redis-cli、redis-benchmark、redis-sentinel等可执行文件)。

然后修改redis.conf文件中的一些配置:

# 绑定地址,默认是127.0.0.1,会导致只能在本地访问。修改为0.0.0.0则可以在任意IP访问
bind 0.0.0.0# 数据库数量,设置为1
databases 1

启动Redis:

redis-server redis.conf # 使用redis-server命令启动redis, 并指定配置文件; 其中redis-server命令可在任意目录下执行

停止redis服务:

redis-cli shutdown # 其中redis-cli命令可在任意目录下执行
RDB持久化与恢复示例

按照【单机安装Redis步骤】中的步骤安装好redis后:

  • 在/usr/local/bin目录下有redis-server、redis-cli、redis-benchmark、redis-sentinel等可执行文件,并且
  • 在/usr/local/redis6/redis6.2.4/src目录下也有这些可执行文件;
  • 在/usr/local/redis6/redis6.2.4/src下有redis.conf和sentinel.conf配置文件。

(这里主要是说明安装情况)

在如上安装好redis之后,这里演示下在关闭redis服务时,redis会自动执行RDB的案例

现在切换/usr/local/redis6/redis-6.2.4目录下(不是必须在这个目录,在其它目录也可以执行redis-server命令)

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使用redis-server ./redis.conf 命令,来指定对应的配置文件启动redis服务,redis开始接收连接

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现在开启另外1个窗口,使用set num 123来保存1条数据到redis内存中,然后发出shutdown的命令,让redis关闭服务,此时redis服务会自动做1次RDB操作,将内存中的数据持久化到dump.rdb文件中(此dump.rdb文件默认会生成在运行redis-server命令时所在的目录中,这里在/usr/local/redis6/redis-6.2.4目录下)

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现在/usr/local/redis6/redis-6.2.4目录下,继续在重新启动redis服务,查看前面通过RDB持久化的文件是否恢复到内存当中(这里就没有指定redis.conf了,也可以指定对应的配置文件)

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在另外1个窗口,使用redis-cli连接上redis服务,查看数据,发现数据没有丢失,说明redis能够从持久化的文件恢复到内存中

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RDB机制

上面案例演示了在redis服务关闭时,会自动执行RDB命令,将内存中的数据持久化到磁盘中。但是,假设redis运行过程中,突然宕机了,此时还没持久化到磁盘中,那么在存储在redis内存中的数据将会全部丢失,所以redis应该要有一套自动持久化的机制。

Redis内部有触发RDB的机制,可以在redis.conf文件中找到(这3个配置默认是被注释的,默认情况下RDB是开启的),格式如下:

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RDB的其它配置也可以在redis.conf文件中设置:

在这里插入图片描述

(配置的含义就是 在指定的一段时间内,有指定数量的key被修改了,那么就执行1次RDB操作,将内存中的数据持久化到指定的目录下的指定的文件中。当然,redis启动时,也会从这个指定的目录下查找这个指定的文件加载到内存中。)

当有了RDB后,即使不关闭redis服务,也能通过配置将redis内存中的数据持久化到磁盘上,但是它会每隔一段时间,才会执行RDB操作。如果在某段时间内,尚未执行RDB时,此时宕机了,那么这段时间内的数据就丢失了。所以,可能会想着把间隔时间设置的尽可能短,但如果间隔时间很短,执行RDB的操作就太频繁了,影响redis的性能。所以使用默认的就好了。

RDB配置示例

说明:5s内,如果有1个key发生变化,那么持久化内存钟的数据到指定的文件中。其中,修改redis.conf文件部分如下:

# 5s内,如果有1个key发生变化, 则触发1次RDB持久化(如果需要禁用RDB, 则配置: save "" 即可)
save 5 1# 指定持久化文件的名字
dbfilename test.data  # 指定RDB持久化文件的所在目录
dir ./my_data_dir

在/usr/local/redis6/redis-6.2.4下创建rdb_test目录,并在此rdb_test目录下创建my_data_dir文件夹用于存放持久化文件。修改号redis.conf配置文件后,使用该配置文件启动redis。

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redis启动后,使用redis-cli连接上redis服务,并向redis中存储2条数据,然后观察redis服务的控制台上观察输出,看到了redis执行持久化的日志,关闭redis后,查看my_data_dir文件夹,看到了test.data数据持久化文件

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再次使用指定的配置文件,启动redis,使用redis-cli再次查询数据,发现数据已恢复

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RDB的fork原理

bgsave开始时会fork主进程得到子进程,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。(bgsave是异步执行持久化的,对主进程几乎零阻塞,零阻塞的原因在于主进程在执行fork得到子进程时,此fork操作会阻塞,此时无法处理客户端请求)

fork采用的是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(当此时针对很多key写操作时,就相当于要拷贝大量数据作为副本,此时就需要事先考虑给redis预留足够的空间)

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总结

RDB方式bgsave的基本流程?

  • fork主进程得到一个子进程,共享内存空间
  • 子进程读取内存数据并异步写入新的RDB文件
  • 用新RDB文件替换旧的RDB文件。

RDB会在什么时候执行?save 60 1000代表什么含义?

  • 默认是服务停止时。
  • 代表60秒内至少执行1000次修改则触发RDB

RDB的缺点?

  • RDB执行间隔时间长,两次RDB之间写入数据有丢失的风险
  • fork子进程、压缩、写出RDB文件都比较耗时

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。

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AOF默认是关闭的,需要修改redis.conf配置文件来开启AOF:

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AOF的命令记录的频率也可以通过redis.conf文件来配:

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配置项刷盘时机优点缺点
Always同步刷盘(redis接收到命令后,使用命令操作完内存后,把此命令写到AOF文件磁盘中,此时主进程是阻塞的,等到写完AOF才返回给用户,主进程再处理其它请求)可靠性高,几乎不丢数据性能影响大
everysec每秒刷盘(redis接收到命令后,使用命令操作完内存后,把此命令写到内存缓冲区中,写完缓冲区后,主进程立即返回。1s后再通过异步的方式将缓冲区中的数据写到AOF文件磁盘中,因为主进程是面对内存缓冲区中的读写,所以效率高,但是如果在写入的过程中宕机了,那么就会丢失这1s内的所有操作。它是默认方案。)性能适中最多丢失1秒数据
no操作系统控制(由操作系统决定,可能频率会比较低)性能最好可靠性较差,可能丢失大量数据
AOF配置示例

说明:AOF会记录每条执行的redis命令到aof文件中,这里关闭了rdb机制,开启了aof机制

# 关闭RDB机制
save ""# aof文件将会保存在此目录, 启动时会读取该目录下的aof文件(与RDB持久化文件所保存的目录相同)
dir ./aof_data_dir# 开启aof
appendonly yes# aof文件名
appendfilename "my_aof.data"# aof刷盘策略, 默认就是everysec, 不需要修改
appendfsync everysec

在/usr/local/redis6/redis-6.2.4下创建aof_test目录,并在此aof_test目录下创建aof_data_dir文件夹用于存放aof文件。修改好redis.conf配置文件后,使用该配置文件启动redis。

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使用redis-cli客户端连接上redis服务,并且保存1条数据,然后退出redis-cli客户端,就可以在指定的目录下看到保存的aof文件了,并且这里看到了aof文件的内容,aof文件确实记录了每条redis命令

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关闭redis时,redis也会执行1次aof

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重新启动redis服务,会自动加载aof文件,然后使用redis-cli客户端连接上redis服务,查询redis服务关闭之前所保存的数据,能够查询到,说明aof文件被加载了

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AOF文件重写

因为是记录命令,AOF文件会比RDB文件大的多。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(此命令为异步执行,他会让aof文件变小,并对内容作编码处理)。

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Redis也会在触发阈值时自动去重写AOF文件。阈值也可以在redis.conf中配置:

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RDB与AOF对比

RDB和AOF各有自己的优缺点,如果对数据安全性要求较高,在实际开发中往往会结合两者来使用。

特点RDBAOF
持久化方式定时对整个内存做快照记录每一次执行的命令
数据完整性不完整,两次备份之间会丢失相对完整,取决于刷盘策略
文件大小会有压缩,文件体积小记录命令,文件体积很大
宕机恢复速度很快
数据恢复优先级低,因为数据完整性不如AOF高,因为数据完整性更高
系统资源占用高,大量CPU和内存消耗低,主要是磁盘IO资源但AOF重写时会占用大量CPU和内存资源
使用场景可以容忍数分钟的数据丢失,追求更快的启动速度对数据安全性要求较高常见
  • RDB与AOF数据恢复优先级:当目录下同时存在AOF与RDB文件时,会优先使用AOF文件来恢复数据,因为AOF文件数据更加完整,而RDB会丢失从上次备份的数据后到发生故障时这段时间内的数据。所以RDB更适合作为一种数据备份的手段。

  • AOF操作是异步的

3. Redis主从 -> 并发能力问题

主从架构

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(而不是负载均衡的那种集群),实现读写分离(因为redis查询操作多,增删改比较少,所以需要更多的处理读的压力,实现读写分离,提高读的并发能力)。

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搭建主从架构示例
集群架构

我们搭建的主从集群结构如图:

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共包含三个节点,一个主节点,两个从节点。这里我们会在同一台虚拟机中开启3个redis实例,模拟主从集群,信息如下:

IPPORT角色
172.17.23.2347001master
172.17.23.2347002slave
172.17.23.2347003slave
准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例,必须准备三份不同的配置文件和目录,配置文件所在目录也就是工作目录。

1)创建目录

我们在/usr/local/redis6/redis-6.2.4/master-slave-cluster目录下,创建三个文件夹,名字分别叫redis7001、redis7002、redis7003,和1个最初的redis.conf配置文件(未作任何修改)

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修改redis.conf配置文件:将其中的持久化模式改为默认的RDB模式,AOF保持关闭状态;配置bind允许远程连接;虚拟机本身有多个IP,为了避免将来混乱,我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息。然后,将此redis.conf分别拷贝到redis7001、redis7002、redis7003中,然后分别修改他们对应的端口为:7001,7002,7003。

# 开启RDB
# save ""
save 3600 1
save 300 100
save 60 10000# 关闭AOF
appendonly no# 允许远程连接(不设置此配置, 会无法同步)
bind 0.0.0.0# 虚拟机本身有多个IP,为了避免将来混乱,我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息
replica-announce-ip 172.17.23.234# 这个目录在本示例中为了方便就不改了, 但是注意启动的时候, 需要到对应的目录下去启动, 否则rdb生成的文件会在redis-server的运行目录下
dir ./# 端口: redis7001、redis7002、redis7003中,然后分别修改他们对应的端口为:7001,7002,7003
port 7001 # 这里以7001为例
启动

分别在redis7001目录下启动7001,redis7002目录下7002,redis7003目录下7003(注意运行redis-server命令的目录,因为我们的dir配置的是./)

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开启主从关系

现在三个实例还没有任何关系,要配置主从可以使用replicaof 或者slaveof(5.0以前)命令。

有临时和永久两种模式:

  • 修改配置文件(永久生效)

    • 在redis.conf中添加一行配置:slaveof <masterip> <masterport>
  • 使用redis-cli客户端连接到redis服务,执行slaveof命令(重启后失效):

    slaveof <masterip> <masterport>
    

注意:在5.0以后新增命令replicaof,与salveof效果一致。

这里让7002成为7001的slave,即让7002成为7001的从节点,执行该命令后,就会把7001主节点的数据同步过来

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让7003成为7001的slave,并且从节点只能读取数据,不能够写入数据,只有主节点才能写入数据

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测试

在主节点中写入数据,再分别从7002、7003从节点中读取到了数据,证明主从数据同步成功了。可以执行info replication查看集群状态。

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主从数据同步原理

主从的全量同步原理

主从第一次同步是全量复制

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master如何判断slave是不是第一次来同步数据?这里会用到两个很重要的概念:

  • 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repl_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步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 idoffset,master才可以判断到底需要同步哪些数据

全量同步过程:从节点将自己的replication id发给主节点,主节点判断此replication id是否与自己的replication id是否一致,如果replication id不一致,说明该从节点是第一次来,主节点需要执行bgsave命令来做RDB保存起来,然后将自己的全量数据和offset同步到该从节点;如果replication id一致,说明从节点之前已经来过了,做过了全量同步了,并且从节点将offset也发过来了,因此主节点就可以从offset得知从节点的同步进度,因此主节点就将offset后面的数据发过去给从节点)

简述全量同步的流程
  • 第1步:slave与master建立连接

  • 第2步:slave节点请求增量同步

  • 第3步:master节点判断replid,发现不一致,拒绝增量同步

  • 第4步:master将完整内存数据生成RDB,发送RDB到slave

  • 第5步:slave清空本地数据,加载master的RDB

  • 第6步:master将RDB期间的命令记录在repl_baklog,并持续将log中的命令发送给slave

  • 第7步:slave执行接收到的命令,保持与master之间的同步

主从的增量同步原理

主从第一次同步是全量同步,,但如果slave重启后同步,则执行增量同步

增量同步过程:从节点重启后,依然需要携带自己的replid和offset向主节点请求同步数据,主节点收到该节点发过来的replid后,与自己的replid比较,发现一致,说明不是第一次来同步的,因此,就查看该节点发过来的offset查看该节点之前的同步进度,然后从repl_baklog中读取大于此offset的命令发送给从节点去同步。如果主节点这边检测到该未同步的数据已经被覆盖了,那么就会要求该节点做全量同步。

在这里插入图片描述

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,此时只能再次全量同步。

主从数据同步优化点

可以从以下几个方面来优化Redis主从就集群:

  • 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(需要网络带宽足够大)。

  • Redis单节点上的内存占用不要太大,减少RDB导致的过多磁盘IO

  • 适当提高repl_baklog的大小,发现slave宕机时尽快实现故障恢复,尽可能避免全量同步

  • 限制一个master上的slave节点数量,如果实在是太多slave,则可以采用主-从-从链式结构,减少master压力

    在这里插入图片描述

总结

简述全量同步和增量同步区别?

  • 全量同步:master将完整内存数据生成RDB,发送RDB到slave。后续命令则记录在repl_baklog,逐个发送给slave。
  • 增量同步:slave提交自己的offset到master,master获取repl_baklog中从offset之后的命令给slave

什么时候执行全量同步?

  • slave节点第一次连接master节点时
  • slave节点断开时间太久,repl_baklog中的offset已经被覆盖时

什么时候执行增量同步?

  • slave节点断开又恢复,并且在repl_baklog中能找到offset时

4. Redis哨兵 -> 故障恢复问题

5. Redis分片集群 -> 存储能力问题

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