Redis為什么快如何實現(xiàn)高可用及持久化

前言

作為Java程序員，在面試過程中，緩存相關(guān)的問題是躲不掉的，肯定會問，例如緩存一致性問題，緩存雪崩、擊穿、穿透等。說到緩存，那肯定少不了Redis，我在面試的時候也是被問了很多關(guān)于Redis相關(guān)的知識，但是Redis的功能太強(qiáng)大了，并不是一時半會兒能掌握好的，因為有些高級特性或是知識平時并不會用到。
所以回答的不好，人家就會覺得你對自己平時使用的工具都沒有了解，自然就涼涼了。其實很早就有這個打算，打算好好總結(jié)一下Redis的知識，但也是由于自己都沒有好好的了解Redis呢，所以一直沒有開始。這次準(zhǔn)備慢慢的來總結(jié)。

Redis為什么這么快

Redis是一個由C語言編寫的開源的，基于內(nèi)存，支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可持久化的NoSQL數(shù)據(jù)庫。
它速度快主要是有以下幾個原因：

• 基于內(nèi)存運行，性能高效；
• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計高效，例如String是由動態(tài)字符數(shù)組構(gòu)成，zset內(nèi)部的跳表；
• 采用單線程，避免了線程的上下文切換，也避免了線程競爭產(chǎn)生的死鎖等問題；
• 使用I/O多路復(fù)用模型，非阻塞IO；

官網(wǎng)上給出單臺Redis的可以達(dá)到10w+的QPS的， 一臺服務(wù)器上在使用Redis的時候單核的就夠了，但是目前服務(wù)器都是多核CPU，要想不浪費資源，又能提交效率，可以在一臺服務(wù)器上部署多個Redis實例。

高可用方案

雖然單臺Redis的的性能很好，但是Redis的單節(jié)點并不能保證它不會掛了啊，畢竟單節(jié)點的Redis是有上限的，而且人家單節(jié)點又要讀又要寫，小身板扛不住咋辦，所以為了保證高可用，一般都是做成集群。

主從（Master-Slave）

Redis官方是支持主從同步的，而且還支持從從同步，從從同步也可以理解為主從同步，只不過從從同步的主節(jié)點是另一個主從的從節(jié)點。

有了主從同步的集群，那么主節(jié)點就負(fù)責(zé)提供寫操作，而從節(jié)點就負(fù)責(zé)支持讀操作。

那么他們之間是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的呢？

如果Slave（從節(jié)點）是第一次跟Master進(jìn)行連接，

• 那么會首先會向Master發(fā)送同步請求psync；
• 主節(jié)點接收到同步請求，開始fork主子進(jìn)程開始進(jìn)行全量同步，然后生成RDB文件；
• 這個時候主節(jié)點同時會將新的寫請求，保存到緩存區(qū)（buffer）中；
• 從節(jié)點接收到RDB文件后，先清空老數(shù)據(jù)，然后將RDB中數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中；
• 等到從節(jié)點將RDB文件同步完成后再同步緩存區(qū)中的寫請求。

數(shù)組被占滿之后就會覆蓋掉最早之前的數(shù)據(jù)。

所以如果由于網(wǎng)絡(luò)或是其他原因，造成緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)被覆蓋了，那么當(dāng)從節(jié)點處理完主節(jié)點的RDB文件后，就不得不又要進(jìn)行一全量的RDB文件的復(fù)制，才能保證主從節(jié)點的數(shù)據(jù)一致。

如果不設(shè)置好合理的buffer區(qū)空間，是會造成一個RDB復(fù)制的死循環(huán)。

當(dāng)主從間的數(shù)據(jù)同步完成之后，后面主節(jié)點的每次寫操作就都會同步到從節(jié)點，這樣進(jìn)行增量同步了。

由于負(fù)載的不斷上升就導(dǎo)致了主從之間的延時變大，所以就有了上面我說的從從同步了，主節(jié)點先同步到一部分從節(jié)點，然后由從節(jié)點去同步其他的從節(jié)點。

在Redis從2.8.18開始支持無盤復(fù)制，主節(jié)點通過套接字，一邊遍歷內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，一邊讓數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點，從節(jié)點和之前一樣，先將數(shù)據(jù)存儲在磁盤文件中，然后再一次性加載。

另外由于主從同步是異步的，所以從Redis3.0之后出現(xiàn)了同步復(fù)制，就是通過wait命令來進(jìn)行控制，wait命令有兩個參數(shù)，第一個是從庫數(shù)量，第二個是等待從庫的復(fù)制時間，如果第二個參數(shù)設(shè)置為0，那么就是代表要等待所有從庫都復(fù)制完才去執(zhí)行后面的命令。
但是這樣就會存在一個隱患，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常后，wait命令會一直阻塞下去，導(dǎo)致Redis不可用。

哨兵（Sentinel）

哨兵可以監(jiān)控Redis集群的健康狀態(tài)，當(dāng)主節(jié)點掛掉之后，選舉出新的主節(jié)點?？蛻舳嗽谑褂肦edis的時候會先通過Sentinel來獲取主節(jié)點地址，然后再通過主節(jié)點來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)主節(jié)點掛掉之后，客戶端會再次向Sentinel獲取主節(jié)點，這樣客戶端就可以無感知的繼續(xù)使用了。

哨兵集群工作過程，主節(jié)點掛掉之后會選舉出新的主節(jié)點，然后監(jiān)控掛掉的節(jié)點，當(dāng)掛掉的節(jié)點恢復(fù)后，原先的主節(jié)點就會變成從節(jié)點，從新的主節(jié)點那里建立主從關(guān)系。

集群分片（Redis Cluster）

Redis Cluster是Redis官方推薦的集群模式，Redis Cluster將所有數(shù)據(jù)劃分到16384個槽（slots）中，每個節(jié)點負(fù)責(zé)一部分槽位的讀寫操作。

存儲

Redis Cluster默認(rèn)是通過CRC16算法獲取到key的hash值，然后再對16384進(jìn)行取余（CRC16(key)%16384），獲取到的槽位在哪個節(jié)點負(fù)責(zé)的范圍內(nèi)（這里一般是會有一個槽位和節(jié)點的映射表來進(jìn)行快速定位節(jié)點的，通常使用bitmap來實現(xiàn)），就存儲在哪個節(jié)點上。

重定向

當(dāng)Redis Cluster的客戶端在和集群建立連接的時候，也會獲得一份槽位和節(jié)點的配置關(guān)系（槽位和節(jié)點的映射表），這樣當(dāng)客戶端要查找某個key時，可以直接定位到目標(biāo)節(jié)點。

但是當(dāng)客戶端發(fā)送請求時，如果接收請求的節(jié)點發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)的槽位并不在當(dāng)前節(jié)點上，那么會返回MOVED指令將正確的槽位和節(jié)點信息返回給客戶端，客戶接著請求正確的節(jié)點獲取數(shù)據(jù)。

一般客戶端在接收到MOVED指令后，也會更新自己本地的槽位和節(jié)點的映射表，這樣下次獲取數(shù)據(jù)時就可以直接命中了。這整個重定向的過程對客戶端是透明的。

數(shù)據(jù)遷移

當(dāng)集群中新增節(jié)點或刪除節(jié)點后，節(jié)點間的數(shù)據(jù)遷移是按槽位為單位的，一個槽位一個槽位的遷移，當(dāng)遷移時原節(jié)點狀態(tài)處于：magrating，目標(biāo)節(jié)點處于：importing。

在遷移過程中，客戶端首先訪問舊節(jié)點，如果數(shù)據(jù)還在舊節(jié)點，那么舊節(jié)點正常處理，如果不在舊節(jié)點，就會返回一個-ASK + 目標(biāo)節(jié)點地址的指令，客戶端收到這個-ASK指令后，向目標(biāo)節(jié)點執(zhí)行一個asking指令（告訴新節(jié)點，必須處理客戶端這個數(shù)據(jù)），然后再向目標(biāo)節(jié)點執(zhí)行客戶端的訪問數(shù)據(jù)的指令。

容錯

Redis Cluster可以為每個主節(jié)點設(shè)置多個從節(jié)點，當(dāng)單個主節(jié)點掛掉后，集群會自動將其中某個從節(jié)點提升為主節(jié)點，若沒有從節(jié)點，那么集群將處于不可用狀態(tài)。
Redis提供了一個參數(shù)：cluster-require-full-coverage，用來配置可以允許部分節(jié)點出問題后，還有其他節(jié)點在運行時可以正常提供服務(wù)。

另外一點比較特殊的是，Cluster中當(dāng)一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)某個其他節(jié)點出現(xiàn)失聯(lián)了，這個時候問題節(jié)點只是PFail（Possibly-可能下線），然后它會把這個失聯(lián)信息廣播給其他節(jié)點，當(dāng)一個節(jié)點接收到某個節(jié)點的失聯(lián)信息達(dá)到集群的大多數(shù)時，就可以將失聯(lián)節(jié)點標(biāo)記為下線，然后將下線信息廣播給其他節(jié)點。若失聯(lián)節(jié)點為主節(jié)點，那么將立即對該節(jié)點進(jìn)行主從切換。

Redis高可用就先說到這里吧，后面其實還有Codis，但是目前Cluster逐漸流行起來了，Codis的競爭力逐漸被蠶食，而且對新版本的支持，更新的也比較慢，所以這里就不說它了，感興趣的可以自己去了解一下，國人開源的Redis集群模式Codis。

持久化

Redis持久化的意義在于，當(dāng)出現(xiàn)宕機(jī)問題后，能將數(shù)據(jù)恢復(fù)到緩存中，它提供了兩種持久化機(jī)制：一種是快照（RDB），一種是AOF日志。

快照是一次全量備份，而AOF是增量備份?？煺帐莾?nèi)存數(shù)據(jù)的二進(jìn)制序列化形式，存儲上非常緊湊，而AOF日志記錄的是內(nèi)存數(shù)據(jù)修改的指令記錄文本。

快照備份（RDB）

因為Redis是單線程的，所以在做快照持久化的時候，通常有兩個選擇，save命令，會阻塞線程，直到備份完成；bgsave會異步的執(zhí)行備份，其實是fork出了一個子進(jìn)程，用子進(jìn)程去執(zhí)行快照持久化操作，將數(shù)據(jù)保存在一個.rdb文件中。

子進(jìn)程剛剛產(chǎn)生的時候，是和父進(jìn)程共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的，但是子進(jìn)程做持久化時，是不會修改數(shù)據(jù)的，而父進(jìn)程是要持續(xù)提供服務(wù)的，所以父進(jìn)程就會持續(xù)的修改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，這個時候父進(jìn)程就會將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，Copy出一份來進(jìn)行修改。

父進(jìn)程copy的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)頁為單位的（4k一頁），對那一頁數(shù)據(jù)進(jìn)行修改就copy哪一頁的數(shù)據(jù)。

子進(jìn)程由于數(shù)據(jù)沒有變化就會一直的去遍歷數(shù)據(jù)，進(jìn)程持久化操作了，這就是只保留了創(chuàng)建子進(jìn)程的時候的快照。

那么RDB是在什么時候觸發(fā)的呢？

# save seconds> changes>
save 60 10000
save 300 10 

上這段配置就是在redis.conf文件中配置的，第一個參數(shù)是時間單位是秒，第二個參數(shù)執(zhí)行數(shù)據(jù)變化的次數(shù)。
意思就是說：300秒之內(nèi)至少發(fā)生10次寫操作、
60秒之內(nèi)發(fā)生至少10000次寫操作，只要滿足任一條件，均會觸發(fā)bgsave

增量日志備份（AOF）

Redis在接收到客戶端請求指令后，會先進(jìn)行校驗，校驗成功后，立即將指令存儲到AOF日志文件中，就是說，Redis是先記錄日志，再執(zhí)行命令。這樣即使命令還沒執(zhí)行突然宕機(jī)了，通過AOF日志文件也是可以恢復(fù)的。

AOF重寫

AOF日志文件，隨著時間的推移，會越來越大，所以就需要進(jìn)行重寫瘦身。AOF重寫的原理就是，fork一個子進(jìn)程，對內(nèi)存進(jìn)行遍歷，然后生成一系列的Redis指令，然后序列化到一個新的aof文件中。然后再將遍歷內(nèi)存階段的增量日志，追加到新的aof文件中，追加完成后立即替換舊的aof文件，這樣就完成了AOF的瘦身重寫。

fsync

因為AOF是一個寫文件的IO操作，是比較耗時。所以AOF日志并不是直接寫入到日志文件的，而是先寫到一個內(nèi)核的緩存中，然后通過異步刷臟，來將數(shù)據(jù)保存到磁盤的。

由于這個情況，就導(dǎo)致了會有還沒來得急刷臟然后就宕機(jī)了，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。

所以Redis提供了一個配置，可以手動的來選擇刷臟的頻率。

• always：每一條AOF記錄都立即同步到文件，性能很低，但較為安全。
• everysec：每秒同步一次，性能和安全都比較中庸的方式，也是redis推薦的方式。如果遇到物理服務(wù)器故障，可能導(dǎo)致最多1秒的AOF記錄丟失。
• no：Redis永不直接調(diào)用文件同步，而是讓操作系統(tǒng)來決定何時同步磁盤。性能較好，但很不安全。

AOF默認(rèn)是關(guān)閉的，需要在配置文件中手動開啟。

# 只有在“yes”下，aof重寫/文件同步等特性才會生效 
appendonly yes 
## 指定aof文件名稱 
appendfilename appendonly.aof 
## 指定aof操作中文件同步策略，有三個合法值：always everysec no,默認(rèn)為everysec 
appendfsync everysec 
## 在aof-rewrite期間，appendfsync是否暫緩文件同步，"no"表示“不暫緩”，“yes”表示“暫緩”，默認(rèn)為“no” 
no-appendfsync-on-rewrite no 
## aof文件rewrite觸發(fā)的最小文件尺寸(mb,gb),只有大于此aof文件大于此尺寸是才會觸發(fā)rewrite，默認(rèn)“64mb”，建議“512mb” 
auto-aof-rewrite-min-size 64mb 

Redis4.0混合持久化

Redis4.0提供了一種新的持久化機(jī)制，就是RDB和AOF結(jié)合使用，將rdb文件內(nèi)容和aof文件存在一起，AOF中保存的不再是全部數(shù)據(jù)了，而是從RDB開始的到結(jié)束的增量日志。

這樣在Redis恢復(fù)數(shù)據(jù)的時候，可以先假裝RDB文件中的內(nèi)容，然后在順序執(zhí)行AOF日志中指令，這樣就將Redis重啟時恢復(fù)數(shù)據(jù)的效率得到了大幅度提升。

結(jié)尾

恩，這次就先總結(jié)到這里吧，后面會繼續(xù)總結(jié)Redis相關(guān)知識，LRU、LFU、內(nèi)存淘汰策略，管道等等。

到此這篇關(guān)于Redis為什么快如何實現(xiàn)高可用及持久化的文章就介紹到這了,更多相關(guān)redis持久化高可用內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！