redis集群

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Redis 集群详解（基于 6.0.10 版本）

Redis 集群（Redis Cluster）是 Redis 3.0 引入的分布式解决方案，旨在解决单机 Redis 的容量和性能瓶颈，支持水平扩展、自动分片和故障转移。本文基于 6.0.10 版本，详细解析集群的核心原理、搭建方法、命令操作及可用性保障。

集群核心原理：虚拟槽（Virtual Slot）分片

Redis 集群采用虚拟槽分片策略，将数据分散到多个节点，平衡负载并支持动态扩展。

虚拟槽的工作机制

  • 槽范围：集群将数据划分为 0~16383 共 16384 个虚拟槽（固定值，由 2^14 计算而来）。
  • 键与槽的映射：存储键值对时，Redis 通过以下步骤定位槽：
    1. 对键执行 CRC16 哈希算法，得到哈希值。
    2. 哈希值对 16384 取余，结果即为该键所属的槽（slot = CRC16(key) % 16384）。
  • 槽与节点的映射：集群中的每个主节点负责一部分槽（如节点 A 负责 0~5000，节点 B 负责 5001~10000 等），集群自动维护槽与节点的对应关系。

为什么选择虚拟槽？

对比传统分片策略，虚拟槽的优势显著：

分片策略 原理 缺点 虚拟槽的改进
取模（如 key%N） 键对节点数取模定位节点 节点增减时，大量键需重新映射（命中率骤降） 槽与节点解耦，节点增减仅需迁移部分槽
一致性哈希 键和节点映射到 2^32 哈希环 节点少时易分布不均，负载失衡 16384 个槽均匀分布，负载更均衡

集群架构与通信

节点类型与角色

  • 主节点（Master）：负责处理槽的读写请求，存储数据，每个主节点可挂载多个从节点。
  • 从节点（Slave）：复制主节点数据，主节点故障时通过选举成为新主节点（类似哨兵模式）。
  • 集群规模：最小集群需 3 个主节点（保证投票容错），每个主节点至少 1 个从节点（高可用），推荐规模 3 主 3 从。

节点通信

  • 端口要求：每个节点需开放两个端口（如6379和16379）：
    • 普通端口（如 6379）：处理客户端请求。
    • 数据端口（普通端口 + 10000，如 16379）：节点间通信（ gossip 协议）。
  • Gossip 协议：节点通过周期性交换信息（如节点状态、槽映射），维护集群元数据一致性。

集群搭建与配置

环境准备

以 3 主 3 从 为例，节点端口分别为 6381~6386，步骤如下：

（1）创建配置文件

为每个节点创建独立配置文件（如 redis-6381.conf），核心配置：

# 开启集群模式
cluster-enabled yes
# 集群配置文件（自动生成，记录节点与槽映射）
cluster-config-file nodes-6381.conf
# 节点超时时间（毫秒，超时未响应则标记为故障）
cluster-node-timeout 15000
# 端口
port 6381
# 后台启动
daemonize yes
# 数据目录
dir ./data/6381
# 绑定IP（生产环境需指定具体IP）
bind 0.0.0.0
（2）启动所有节点
redis-server redis-6381.conf
redis-server redis-6382.conf
# ... 启动 6383~6386

初始化集群（推荐 redis-cli --cluster）

Redis 6.0 推荐使用 redis-cli --cluster 工具（替代旧版 redis-trib.rb）快速搭建集群：

# 创建集群，--cluster-replicas 1 表示每个主节点配 1 个从节点
redis-cli --cluster create \
  127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6382 127.0.0.1:6383 \  # 3 个主节点
  127.0.0.1:6384 127.0.0.1:6385 127.0.0.1:6386 \  # 3 个从节点
  --cluster-replicas 1
  • 执行后，工具会自动分配槽（3 主节点平均分配 16384 个槽），并为每个主节点分配从节点。
  • 确认配置后输入 yes，集群初始化完成。

手动配置集群（进阶）

若需手动控制槽分配或节点角色，可分步操作：

（1）添加节点到集群
# 连接任意节点，将其他节点加入集群（以 6381 为种子节点）
redis-cli -p 6381 cluster meet 127.0.0.1 6382
redis-cli -p 6381 cluster meet 127.0.0.1 6383
# ... 添加 6384~6386
（2）分配槽给主节点
# 主节点 6381 负责 0~5461 槽
redis-cli -p 6381 cluster addslots {0..5461}

# 主节点 6382 负责 5462~10922 槽
redis-cli -p 6382 cluster addslots {5462..10922}

# 主节点 6383 负责 10923~16383 槽
redis-cli -p 6383 cluster addslots {10923..16383}
（3）设置从节点
# 6384 作为 6381 的从节点（需先通过 cluster nodes 获取 6381 的 node_id）
redis-cli -p 6384 cluster replicate <6381的node_id>

# 同理设置 6385 为 6382 的从节点，6386 为 6383 的从节点

集群核心命令

命令 作用
CLUSTER INFO 查看集群状态（如 cluster_state:ok 表示正常）。
CLUSTER NODES 列出所有节点信息（node_id、角色、负责的槽等）。
CLUSTER KEYSLOT <key> 计算键所属的槽。
CLUSTER COUNTKEYSINSLOT <slot> 查看指定槽中的键数量。
CLUSTER GETKEYSINSLOT <slot> <count> 获取指定槽中的 count 个键。
CLUSTER MEET <ip> <port> 将节点加入集群。
CLUSTER REPLICATE <node_id> 将当前节点设为 node_id 节点的从节点。
CLUSTER ADDSLOTS <slot...> 为当前节点分配槽（主节点专用）。

示例：查看集群状态

# 连接任意节点（需加 -c 表示集群模式）
redis-cli -c -p 6381

# 查看集群信息
127.0.0.1:6381> CLUSTER INFO
cluster_state:ok
cluster_slots_assigned:16384
cluster_slots_ok:16384
cluster_size:3  # 主节点数
...

# 查看节点列表
127.0.0.1:6381> CLUSTER NODES
# 输出格式：node_id  ip:port 角色 槽范围 ...
abc123... 127.0.0.1:6381@16381 master - 0 1620000000000 1 connected 0-5461
def456... 127.0.0.1:6382@16382 master - 0 1620000000000 2 connected 5462-10922
...

集群可用性与故障转移

集群不可用的条件

  • 场景 1：任意主节点故障且无可用从节点（无法选举新主节点），集群进入 fail 状态。
  • 场景 2：超过半数的主节点故障（无论是否有从节点），集群进入 fail 状态（无法达成投票共识）。

故障转移流程

  1. 检测故障：节点定期通过 PING 检测其他节点，若超时（cluster-node-timeout），标记为 “疑似下线（PFAIL）”。
  2. 确认下线：当超过半数主节点标记某节点为 PFAIL 时，将其标记为 “已下线（FAIL）” 并广播。
  3. 选举新主节点：故障主节点的从节点通过投票竞选新主节点（获得多数票者当选）。
  4. 迁移槽：新主节点接管原主节点的所有槽，集群恢复正常。

集群高级特性：多键操作与 Hash Tags

集群中，默认要求多键操作（如 MGET、事务、Lua 脚本）的所有键必须属于同一槽，否则会报错。通过 Hash Tags 可强制多键映射到同一槽：

  • 语法：键名中包含 {tag}，Redis 仅对 tag 部分计算槽（忽略其他内容）。

  • 示例：

    # 键 {user100}name 和 {user100}age 会映射到同一槽（因 tag 均为 user100）
SET {user100}name "Alice"
SET {user100}age 25
MGET {user100}name {user100}age  # 正常执行，返回 ["Alice", "25"]

集群运维：节点管理与数据迁移

添加节点

# 添加新主节点（6387）
redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:6387 127.0.0.1:6381

# 添加新从节点（6388），指定主节点 node_id
redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:6388 127.0.0.1:6381 \
  --cluster-slave --cluster-master-id <主节点node_id>

移除节点

# 移除节点（需先迁移其负责的槽，否则失败）
redis-cli --cluster del-node 127.0.0.1:6381 <待删除节点的node_id>

槽迁移（扩容 / 缩容）

# 重新分配槽（指定目标节点，按提示输入迁移的槽数量和来源节点）
redis-cli --cluster reshard 127.0.0.1:6381