1. Redis分区介绍
Redis是一种基于内存的Key-Value数据库，是业界非常流行的NoSQL数据库之一，它的高性能、高并发和分布式特性使得它在互联网领域得到了广泛的应用。然而，随着Redis中存储的数据量不断扩大，单机的性能已经不能满足业务需求，需要采用分区技术来提高Redis的性能和可扩展性。
2. Redis分区实现原理
2.1 分区概念
Redis的分区是指将一个大的Redis数据库拆分成多个小的Redis数据库的过程，每个小的Redis数据库称为一个分区，每个分区可以运行在不同的物理机器上，从而实现Redis的横向扩展。
2.2 分区策略
Redis支持两种分区策略：一致性哈希（Consistent Hashing）和范围分区（Range Partitioning）。
一致性哈希
一致性哈希是Redis中默认的分区策略，它将所有的数据分散在一个环上，每个物理节点在环上对应多个虚拟节点，每个键值对通过一致性哈希算法映射到环上的一个节点上，由此决定该键值对存储在哪个物理节点上。如果添加或删除一个节点，只需要修改环上的少量虚拟节点，对已经存储的键值对影响最小。
// Redis中的一致性哈希库
#include "redis.h"
#include "crc16.h"
#include "zmalloc.h"
...
typedef struct clusterNode {
// 节点名称
char name[REDIS_CLUSTER_NAMELEN];
// 节点IP地址
char ip[REDIS_IP_STR_LEN];
// 节点端口号
int port;
// ...... 许多其他属性
} clusterNode;
typedef struct dict {
// 哈希表数组
dictht ht[2];
// 哈希表类型特定函数指针
dictType *type;
// 私有数据
void *privdata;
// 哈希表状态标识
int rehashidx;
// 哈希表使用的种子值
unsigned int seed;
} dict;
typedef struct clusterState {
// ...... 许多其他属性
// 集群节点字典，保存了所有已知节点信息
dict *nodes;
// 客户端到节点映射表
dict *clients;
// 负责处理哈希槽的节点
clusterNode *migrating_slots_to[REDIS_CLUSTER_SLOTS];
} clusterState;
// 一致性哈希算法，输入键名，返回哈希值
static unsigned int clusterHashSlot(char *key, int keylen) {
int s, e;
s = 0;
e = keylen-1;
while(key[s] == '{') s++;
while(key[e] == '}') e--;
if(s > e) {
// 如果键名不包含 { 和 } ，那么直接对键名进行哈希运算
return crc16(key,keylen) & 0x3FFF;
} else {
// 如果键名包含 { 和 } ，那么计算 { 和 } 的位置，并对中间的字符串进行哈希运算
unsigned int hash = crc16(key+s,e-s+1) & 0x3FFF;
// 通过字符串 "{tag}" 可以指定所有在一个哈希槽内的键值对均使用同一个物理节点存储
char *tag = strchr(key+s,'{');
if(tag) {
char *tagend = strchr(tag+1,'}');
if(tagend) {
tag++;
hash = crc16(tag,tagend-tag) & 0x3FFF;
}
}
return hash;
}
}
一致性哈希的实现中需要解决以下问题：
如何将物理节点映射到环上的多个虚拟节点？
如何进行节点的添加和删除？
如何统计节点的负载情况，以便进行负载均衡？
如何保证数据的高可用性？
范围分区
范围分区是将Redis中的键空间划分为多个连续的区间，每个区间映射到一个物理节点上，相邻的区间可以映射到同一个物理节点上，从而保证物理节点的负载相对均衡。范围分区适用于相对简单的场景，如生命周期较短的缓存库，对于持久化的库则不太适用。
2.3 分区实现
Redis的分区实现是通过对客户端请求进行拦截和转发来实现的。所有的读操作都会发送到相应分区中的节点上，而写操作则需要考虑数据的一致性，需要根据分区策略将写操作转发到正确的节点上，保证数据的正确性。
在Redis中，每个分区对应一个Redis节点，所有的分区节点可以运行在不同的物理机器上，实现Redis的横向扩展。每个分区节点之间通过网络进行通信，Redis客户端只需要连接到其中一个分区节点上即可访问整个Redis库。
// Redis中的分区库
#include "redis.h"
#include "cluster.h"
...
typedef struct clusterNode {
// 节点名称
char name[REDIS_CLUSTER_NAMELEN];
// 节点IP地址
char ip[REDIS_IP_STR_LEN];
// 节点端口号
int port;
// ...... 许多其他属性
// 属于该节点的分区
dict *slots;
} clusterNode;
typedef struct redisCluster {
// 集群节点字典，保存了所有已知节点信息
dict *nodes;
// 负责处理哈希槽的节点
clusterNode *migrating_slots_to[REDIS_CLUSTER_SLOTS];
} redisCluster;
static void clusterSendCommand(redisCluster *cluster, clusterNode *node, redisClient *c) {
// 如果节点是当前分区的节点，那么直接发送命令
if(nodeExists(node->slots,c->db->id)) {
redisProcessCommand(c);
} else {
// 如果不是当前分区的节点，那么使用分区映射表获取正确的物理节点，并将命令发送到该节点上
node = clusterNodeGetSlotOwner(cluster, c->cmd->hashkey);
redisClusterSendCommand(cluster,c,node);
}
}
static void clusterHandleCommand(redisClient *c) {
redisCluster *cluster = c->db->cluster;
// 根据命令的操作类型进行处理
if(c->cmd->flags & REDIS_CMD_READONLY) {
// 如果是只读命令，那么直接发送命令到某个分区节点上
node = redisClusterGetSlaveNodeForCommand(cluster,c);
redisClusterSendCommand(cluster,c,node);
} else {
// 如果是写命令，那么根据分区策略将命令发送到正确的物理节点上
// ...... 省略代码
}
}
2.4 分区模式
Redis支持两种分区模式：主从分区和复制分区。
主从分区
主从分区中一个物理节点作为主节点，所有的写操作都通过主节点进行，读操作可以通过主节点或从节点进行。主节点将数据同步到所有从节点上，从节点只能进行读操作。
// Redis中的主从复制库
#include
#include
...
typedef struct redisServer {
// ...... 许多其他属性
// 负责处理主从复制的复制器对象
replication *repl;
} redisServer;
typedef struct replication {
// ...... 许多其他属性
// 复制器状态
int repl_state;
// 主节点的IP地址
char *master_host;
// 主节点的端口号
int master_port;
} replication;
static int connectWithMaster(void) {
// ...... 省略代码
// 将当前节点设为从节点，并向主节点发送 SYNC 命令
if(sendSyncCommand() == REDIS_OK) {
// 记录当前节点成为从节点的时间
server.master_link_down_time = 0;
server.repl_state = REDIS_REPL_CONNECT;
// 保存心跳包时间
clusterSaveConfigOrDie(0);
return REDIS_OK;
} else {
// 连接失败
serverLog(LL_WARNING,"Unable to connect to MASTER: %s:%d",server.masterhost,server.masterport);
return REDIS_ERR;
}
}
static int syncWithMaster(void) {
// ...... 省略代码
// 接收到 PSYNC 命令，根据命令参数进行同步
else if(!strcasecmp(argv[0]->ptr,"psync") && argc == 3) {
char *master_runid = argv[1]->ptr;
long long master_offset;
if(parseLongLong(argv[2]->ptr,&master_offset) == REDIS_OK) {
// 根据运行ID查找主节点是否存在
if(server.master) {
// 可以进行增量复制
// ...... 省略代码
} else {
// 进行全量复制
// ...... 省略代码
}
}
}
// ...... 省略代码
}
static void syncCommand(redisClient *c) {
// 发送 SYNC 命令到主节点
if(server.masterhost && server.repl_state == REDIS_REPL_NONE) {
if(connectWithMaster() == REDIS_OK) {
// 等待 SYNC 命令的返回，并进行同步
// ...... 省略代码
}
} else {
sendSyncCommand();
}
}
复制分区
复制分区使用两个相互独立的物理节点存储相同的数据，所有读写操作均会同时执行到两个物理节点上，从而提高Redis的可用性。
// Redis中的复制库
#include "redis.h"
...
typedef struct redisMaster {
// ...... 许多其他属性
// 负责处理复制的复制器对象 F
replication *repl;
} redisMaster;
typedef struct redisSlave {
// ...... 许多其他属性
// 负责处理复制的复制器对象 F
replication *repl;
} redisSlave;
typedef struct replication {
// ...... 许多其他属性
// 复制器状态
int repl_state;
// 主节点的IP地址
char *master_host;
// 主节点的端口号
int master_port;
} replication;
static int connectWithMaster(void) {
// ...... 省略代码
// 连接主节点，并发送 SYNC 命令
if(sendSyncCommand() == REDIS_OK) {
// 记录距离上一次心跳包的时间
server.master_repl_offset_time = mstime();
server.repl_state = REDIS_REPL_CONNECT;
replicationSendAck();
// 保存心跳包时间
clusterSaveConfigOrDie(0);
return REDIS_OK;
} else {
// 连接失败
serverLog(LL_WARNING,"Unable to connect to MASTER: %s:%d",server.masterhost,server.masterport);
return REDIS_ERR;
}
}
static int syncWithMaster(void) {
// ...... 省略代码
// 接收到 SYNC 命令，开始进行全量复制
else if(!strcasecmp(argv[0]->ptr,"sync") && argc == 3) {
char *runid = argv[1]->ptr;
long long offset;
if(parseLongLong(argv[2]->ptr,&offset) == REDIS_OK) {
// 记录主节点状态
replicationSetMaster(runid,0);
// 清空数据库
emptyDb();
// 重置数据库状态
server.master_initial_offset = offset;
server.stat_rejected_conn++;
server.repl_state = REDIS_REPL_TRANSFER;
// 阻止客户端发送命令
pauseClients();
// 负责处理复制对象 F，用于完成复制操作
rdbSaveRio(server.rdb_child_pid,NULL);
return REDIS_OK;
}
}
// ...... 省略代码
}
3. Redis分区的优缺点
3.1 优点
提高了Redis的性能和可扩展性。
保证了数据的高可用性和备份。
允许Redis在分布式环境下运行。
3.2 缺点
分区会增加系统的复杂性和维护难度。
分区会对数据一致性和可靠性提出更高的要求。
对于一些不适合访问另一个节点的习惯形成了强制限制。
4. 总结
Redis的分区实现是一个重要的数据库架构设计，通过将数据分散在多个节点上，可以实现Redis的横向扩展，提高Redis的性能和可扩展性。Redis支持一致性哈希和范围分区两种分区策略，可以根据具体需求选择不同的分区模式。在实际应用中，需要对分区进行合理的管理和维护，以保证数据的一致性、可用性和可靠性。