分片在redis中作用和實(shí)現(xiàn)

分片(partitioning)就是將你的數(shù)據(jù)拆分到多個(gè) Redis 實(shí)例的過(guò)程，這樣每個(gè)實(shí)例將只包含所有鍵的子集。本文第一部分將向你介紹分片的概念，第二部分將向你展示 Redis 分片的可選方案。

分片能做什么

Redis 的分片承擔(dān)著兩個(gè)主要目標(biāo)：

1、允許使用很多電腦的內(nèi)存總和來(lái)支持更大的數(shù)據(jù)庫(kù)。沒(méi)有分片，你就被局限于單機(jī)能支持的內(nèi)存容量。

2、允許伸縮計(jì)算能力到多核或多服務(wù)器，伸縮網(wǎng)絡(luò)帶寬到多服務(wù)器或多網(wǎng)絡(luò)適配器。

分片基礎(chǔ)

有很多不同的分片標(biāo)準(zhǔn)(criteria)。假想我們有 4 個(gè) Redis 實(shí)例 R0，R1，R2，R3，還有很多表示用戶的鍵，像 user:1，user:2，… 等等，我們能找到不同的方式來(lái)選擇一個(gè)指定的鍵存儲(chǔ)在哪個(gè)實(shí)例中。換句話說(shuō)，有許多不同的辦法來(lái)映射一個(gè)鍵到一個(gè)指定的 Redis 服務(wù)器。

最簡(jiǎn)單的執(zhí)行分片的方式之一是范圍分片(range partitioning)，通過(guò)映射對(duì)象的范圍到指定的 Redis 實(shí)例來(lái)完成分片。例如，我可以假設(shè)用戶從 ID 0 到 ID 10000 進(jìn)入實(shí)例 R0，用戶從 ID 10001 到 ID 20000 進(jìn)入實(shí)例 R1，等等。

這套辦法行得通，并且事實(shí)上在實(shí)踐中被采用，然而，這有一個(gè)缺點(diǎn)，就是需要一個(gè)映射范圍到實(shí)例的表格。這張表需要管理，不同類型的對(duì)象都需要一個(gè)表，所以范圍分片在 Redis 中常常并不可取，因?yàn)檫@要比替他分片可選方案低效得多。

一種范圍分片的替代方案是哈希分片(hash partitioning)。這種模式適用于任何鍵，不需要鍵像 object_name: 這樣的餓形式，就像這樣簡(jiǎn)單：

1、使用一個(gè)哈希函數(shù)(例如，crc32 哈希函數(shù)) 將鍵名轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字。例如，如果鍵是 foobar，crc32(foobar)將會(huì)輸出類似于 93024922 的東西。

2、對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取模運(yùn)算，以將其轉(zhuǎn)換為一個(gè) 0 到 3 之間的數(shù)字，這樣這個(gè)數(shù)字就可以映射到我的 4 臺(tái) Redis 實(shí)例之一。93024922 模 4 等于 2，所以我知道我的鍵 foobar 應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)到 R2 實(shí)例。注意：取模操作返回除法操作的余數(shù)，在許多編程語(yǔ)言總實(shí)現(xiàn)為%操作符。

有許多其他的方式可以分片，從這兩個(gè)例子中你就可以知道了。一種哈希分片的高級(jí)形式稱為一致性哈希(consistent hashing)，被一些 Redis 客戶端和代理實(shí)現(xiàn)。

分片的不同實(shí)現(xiàn)

分片可由軟件棧中的不同部分來(lái)承擔(dān)。

1、客戶端分片(Client side partitioning)意味著，客戶端直接選擇正確的節(jié)點(diǎn)來(lái)寫入和讀取指定鍵。許多 Redis 客戶端實(shí)現(xiàn)了客戶端分片。

2、代理協(xié)助分片(Proxy assisted partitioning)意味著，我們的客戶端發(fā)送請(qǐng)求到一個(gè)可以理解 Redis 協(xié)議的代理上，而不是直接發(fā)送請(qǐng)求到 Redis 實(shí)例上。代理會(huì)根據(jù)配置好的分片模式，來(lái)保證轉(zhuǎn)發(fā)我們的請(qǐng)求到正確的 Redis 實(shí)例，并返回響應(yīng)給客戶端。Redis 和 Memcached 的代理 Twemproxy 實(shí)現(xiàn)了代理協(xié)助的分片。

3、查詢路由(Query routing)意味著，你可以發(fā)送你的查詢到一個(gè)隨機(jī)實(shí)例，這個(gè)實(shí)例會(huì)保證轉(zhuǎn)發(fā)你的查詢到正確的節(jié)點(diǎn)。Redis 集群在客戶端的幫助下，實(shí)現(xiàn)了查詢路由的一種混合形式 (請(qǐng)求不是直接從 Redis 實(shí)例轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)，而是客戶端收到重定向到正確的節(jié)點(diǎn))。

分片的缺點(diǎn)

Redis 的一些特性與分片在一起時(shí)玩轉(zhuǎn)的不是很好：

1、涉及多個(gè)鍵的操作通常不支持。例如，你不能對(duì)映射在兩個(gè)不同 Redis 實(shí)例上的鍵執(zhí)行交集(事實(shí)上有辦法做到，但不是直接這么干)。

2、涉及多個(gè)鍵的事務(wù)不能使用。

3、分片的粒度(granularity)是鍵，所以不能使用一個(gè)很大的鍵來(lái)分片數(shù)據(jù)集，例如一個(gè)很大的有序集合。

4、當(dāng)使用了分片，數(shù)據(jù)處理變得更復(fù)雜，例如，你需要處理多個(gè) RDB/AOF 文件，備份數(shù)據(jù)時(shí)你需要聚合多個(gè)實(shí)例和主機(jī)的持久化文件。

5、添加和刪除容量也很復(fù)雜。例如，Redis 集群具有運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)添加和刪除節(jié)點(diǎn)的能力來(lái)支持透明地再均衡數(shù)據(jù)，但是其他方式，像客戶端分片和代理都不支持這個(gè)特性。但是，有一種稱為預(yù)分片(Presharding)的技術(shù)在這一點(diǎn)上能幫上忙。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是緩存

盡管無(wú)論是將 Redis 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是緩存，Redis 的分片概念上都是一樣的，但是作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)有一個(gè)重要的局限。當(dāng) Redis 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，一個(gè)給定的鍵總是映射到相同的 Redis 實(shí)例。當(dāng) Redis 作為緩存時(shí)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不可用而使用另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這并不是一個(gè)什么大問(wèn)題，按照我們的愿望來(lái)改變鍵和實(shí)例的映射來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)的可用性(就是系統(tǒng)回復(fù)我們查詢的能力)。

一致性哈希實(shí)現(xiàn)常常能夠在指定鍵的首選節(jié)點(diǎn)不可用時(shí)切換到其他節(jié)點(diǎn)。類似的，如果你添加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)就會(huì)開始被存儲(chǔ)到這個(gè)新節(jié)點(diǎn)上。

這里的主要概念如下：

1、如果 Redis 用作緩存，使用一致性哈希來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮擴(kuò)展(scaling up and down)是很容易的。

2、如果 Redis 用作存儲(chǔ)，使用固定的鍵到節(jié)點(diǎn)的映射，所以節(jié)點(diǎn)的數(shù)量必須固定不能改變。否則，當(dāng)增刪節(jié)點(diǎn)時(shí)，就需要一個(gè)支持再平衡節(jié)點(diǎn)間鍵的系統(tǒng)，當(dāng)前只有 Redis 集群可以做到這一點(diǎn)，但是 Redis 集群現(xiàn)在還處在 beta 階段，尚未考慮再生產(chǎn)環(huán)境中使用。

預(yù)分片

我們已經(jīng)知道分片存在的一個(gè)問(wèn)題，除非我們使用 Redis 作為緩存，增加和刪除節(jié)點(diǎn)是一件很棘手的事情，使用固定的鍵和實(shí)例映射要簡(jiǎn)單得多。

然而，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求可能一直在變化。今天我可以接受 10 個(gè) Redis 節(jié)點(diǎn)(實(shí)例)，但是明天我可能就需要 50 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

因?yàn)?Redis 只有相當(dāng)少的內(nèi)存占用(footprint)而且輕量級(jí)(一個(gè)空閑的實(shí)例只是用 1MB 內(nèi)存)，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法是一開始就開啟很多的實(shí)例。即使你一開始只有一臺(tái)服務(wù)器，你也可以在第一天就決定生活在分布式的世界里，使用分片來(lái)運(yùn)行多個(gè) Redis 實(shí)例在一臺(tái)服務(wù)器上。

你一開始就可以選擇很多數(shù)量的實(shí)例。例如，32 或者 64 個(gè)實(shí)例能滿足大多數(shù)的用戶，并且為未來(lái)的增長(zhǎng)提供足夠的空間。

這樣，當(dāng)你的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要增長(zhǎng)，你需要更多的 Redis 服務(wù)器，你要做的就是簡(jiǎn)單地將實(shí)例從一臺(tái)服務(wù)器移動(dòng)到另外一臺(tái)。當(dāng)你新添加了第一臺(tái)服務(wù)器，你就需要把一半的 Redis 實(shí)例從第一臺(tái)服務(wù)器搬到第二臺(tái)，如此等等。

使用 Redis 復(fù)制，你就可以在很小或者根本不需要停機(jī)時(shí)間內(nèi)完成移動(dòng)數(shù)據(jù)：

1、在你的新服務(wù)器上啟動(dòng)一個(gè)空實(shí)例。

2、移動(dòng)數(shù)據(jù)，配置新實(shí)例為源實(shí)例的從服務(wù)。

3、停止你的客戶端。

4、更新被移動(dòng)實(shí)例的服務(wù)器 IP 地址配置。

5、向新服務(wù)器上的從節(jié)點(diǎn)發(fā)送 SLAVEOF NO ONE 命令。

6、以新的更新配置啟動(dòng)你的客戶端。

7、最后關(guān)閉掉舊服務(wù)器上不再使用的實(shí)例。

Redis 分片的實(shí)現(xiàn)

Redis 集群是自動(dòng)分片和高可用的首選方式。當(dāng)前還不能完全用于生產(chǎn)環(huán)境，但是已經(jīng)進(jìn)入了 beta 階段。

一旦 Redis 集群可用，以及支持 Redis 集群的客戶端可用，Redis 集群將會(huì)成為 Redis 分片的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

Redis 集群是查詢路由和客戶端分片的混合模式。

Twemproxy 是 Twitter 開發(fā)的一個(gè)支持 Memcached ASCII 和 Redis 協(xié)議的代理。它是單線程的，由 C 語(yǔ)言編寫，運(yùn)行非常的快。他是基于 Apache 2.0 許可的開源項(xiàng)目。

Twemproxy 支持自動(dòng)在多個(gè) Redis 實(shí)例間分片，如果節(jié)點(diǎn)不可用時(shí)，還有可選的節(jié)點(diǎn)排除支持(這會(huì)改變鍵和實(shí)例的映射，所以你應(yīng)該只在將 Redis 作為緩存是才使用這個(gè)特性)。

這并不是單點(diǎn)故障(single point of failure)，因?yàn)槟憧梢詥?dòng)多個(gè)代理，并且讓你的客戶端連接到第一個(gè)接受連接的代理。

Twemproxy 之外的可選方案，是使用實(shí)現(xiàn)了客戶端分片的客戶端，通過(guò)一致性哈?；蛘邉e的類似算法。有多個(gè)支持一致性哈希的 Redis 客戶端，例如 Redis-rb 和 Predis。

以上就是redis分片詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多請(qǐng)關(guān)注億速云其它相關(guān)文章！