从零开始Redis(九)：Redis分区

前言

本节将介绍redis的分区。

分区

分区是将数据分布在多个Redis实例（Redis主机）上，以至于每个实例只包含一部分数据

分区的意义

• 性能的提升
  单机Redis的网络I/O能力和计算资源是有限的，将请求分散到多台机器，充分利用多台机器的计算能力可网络带宽，有助于提高Redis总体的服务能力。
• 存储能力的横向扩展
  即使Redis的服务能力能够满足应用需求，但是随着存储数据的增加，单台机器受限于机器本身的存储容量，将数据分散到多台机器上存储使得Redis服务可以横向扩展。

分区的方式

根据分区键（id）进行分区：

范围分区

根据id数字的范围比如1–10000、100001–20000…90001-100000，每个范围分到不同的Redis实例中

好处：
实现简单，方便迁移和扩展
缺陷：
热点数据分布不均，性能损失
非数字型key，比如uuid无法使用(可采用雪花算法替代)
分布式环境 主键 雪花算法 是数字 能排序

hash分区

利用简单的hash算法即可：
Redis实例=hash(key)%N
key:要进行分区的键，比如user_id
N:Redis实例个数(Redis主机)

好处：
支持任何类型的key
热点分布较均匀，性能较好
缺陷：
迁移复杂，需要重新计算，扩展较差（利用一致性hash环）

client端分区

对于一个给定的key，客户端直接选择正确的节点来进行读写。许多Redis客户端都实现了客户端分区(JedisPool)，也可以自行编程实现。

部署方案

客户端选择算法

• hash
  普通hash
  hash(key)%N
  hash:可以采用hash算法，比如CRC32、CRC16等
  N:是Redis主机个数
  比如：

user_id : u001
hash(u001) : 1844213068
Redis实例=1844213068%3
余数为2，所以选择Redis3。

普通Hash的优势:实现简单，热点数据分布均匀
普通Hash的缺陷:节点数固定，扩展的话需要重新计算
查询时必须用分片的key来查，一旦key改变，数据就查不出了，所以要使用不易改变的key进行分片

• 一致性hash
  基本概念:普通hash是对主机数量取模，而一致性hash是对2^32
  （4 294 967 296）取模。我们把2^32
  想象成一个圆，就像钟表一样，钟表的圆可以理解成由60个点组成的圆，而此处我们把这个圆想象成由2^32个点组成的圆，示意图如下
  
  圆环的正上方的点代表0，0点右侧的第一个点代表1，以此类推，2、3、4、5、6……直到2^32-1,
  也就是说0点左侧的第一个点代表2^32-1 。我们把这个由2的32次方个点组成的圆环称为hash环

假设我们有3台缓存服务器，服务器A、服务器B、服务器C，那么，在生产环境中，这三台服务器肯定有自己的IP地址，我们使用它们各自的IP地址进行哈希计算，使用哈希后的结果对2^32取模，可以使用如下公式：
hash（服务器的IP地址） % 2^32

通过上述公式算出的结果一定是一个0到2^32-1
之间的一个整数，我们就用算出的这个整数，代表服务器A、服务器B、服务器C，既然这个整数肯定处于0到2^32-1之间，那么，上图中的hash环上必定有一个点与这个整数对应，也就是服务器A、服务器B、服务C就可以映射到这个环上，如下图：

假设，我们需要使用Redis缓存数据，那么我们使用如下公式可以将数据映射到上图中的hash环上。
hash（key） % 2^32
映射后的示意图如下，下图中的橘黄色圆形表示数据

现在服务器与数据都被映射到了hash环上，上图中的数据将会被缓存到服务器A上，因为从数据的位置开始，沿顺时针方向遇到的第一个服务器就是A服务器，所以，上图中的数据将会被缓存到服务器A上。
如图：

将缓存服务器与被缓存对象都映射到hash环上以后，从被缓存对象的位置出发，沿顺时针方向遇到的第一个服务器，就是当前对象将要缓存于的服务器，由于被缓存对象与服务器hash后的值是固定的，所以，在服务器不变的情况下，数据必定会被缓存到固定的服务器上，那么，当下次想要访问这个数据时，只要再次使用相同的算法进行计算，即可算出这个数据被缓存在哪个服务器上，直接去对应的服务器查找对应的数据即可。多条数据存储如下：

优点:
添加或移除节点时，数据只需要做部分的迁移，比如上图中把C服务器移除，则数据4迁移到服务器A中，而其他的数据保持不变。添加效果是一样的。
hash环偏移
在介绍一致性哈希的概念时，我们理想化的将3台服务器均匀的映射到了hash环上。也就是说数据的范围是2^32/N。但实际情况往往不是这样的。有可能某个服务器的数据会很多，某个服务器的数据会很少，造成服务器性能不平均。这种现象称为hash环偏移

理论上我们可以通过增加服务器的方式来减少偏移，但这样成本较高，所以我们可以采用虚拟节点的方式，也就是虚拟服务器，如图：

“虚拟节点"是"实际节点”（实际的物理服务器）在hash环上的复制品,一个实际节点可以对应多个虚拟节点。
从上图可以看出，A、B、C三台服务器分别虚拟出了一个虚拟节点，当然，如果你需要，也可以虚拟出更多的虚拟节点。引入虚拟节点的概念后，缓存的分布就均衡多了，上图中，1号、3号数据被缓存在服务器A中，5号、4号数据被缓存在服务器B中，6号、2号数据被缓存在服务器C中，如果你还不放心，可以虚拟出更多的虚拟节点，以便减小hash环偏斜所带来的影响，虚拟节点越多，hash环上的节点就越多，缓存被均匀分布的概率就越大。

缺点:

• 复杂度高
  客户端需要自己处理数据路由、高可用、故障转移等问题
  使用分区，数据的处理会变得复杂，不得不对付多个redis数据库和AOF文件，不得在多个实例和主机之间持久化你的数据。
• 不易扩展
  一旦节点的增或者删操作，都会导致key无法在redis中命中，必须重新根据节点计算，并手动迁移全部或部分数据。

proxy端分区

在客户端和服务器端引入一个代理或代理集群，客户端将命令发送到代理上，由代理根据算法，将命令路由到相应的服务器上。常见的代理有Codis（豌豆荚）和TwemProxy（Twitter）

部署架构

Codis由豌豆荚于2014年11月开源，基于Go和C开发，是近期涌现的、国人开发的优秀开源软件之一

Codis 3.x 由以下组件组成：

• Codis Server：基于 redis-3.2.8 分支开发。增加了额外的数据结构，以支持 slot 有关的操作以及数据迁移指令。
• Codis Proxy：客户端连接的 Redis 代理服务, 实现了 Redis 协议。 除部分命令不支持以外(不支持的命令列表)，表现的和原生的 Redis 没有区别（就像 Twemproxy）。
  • 对于同一个业务集群而言，可以同时部署多个 codis-proxy 实例；
  • 不同 codis-proxy 之间由 codis-dashboard 保证状态同步
    Codis Dashboard：集群管理工具，支持 codis-proxy、codis-server 的添加、删除，以及据迁移等操作。在集群状态发生改变时，codis-dashboard 维护集群下所有 codis-proxy 的状态的一致性。
  • 对于同一个业务集群而言，同一个时刻 codis-dashboard 只能有 0个或者1个
  • 所有对集群的修改都必须通过 codis-dashboard 完成
    Codis Admin：集群管理的命令行工具
• 可用于控制 codis-proxy、codis-dashboard 状态以及访问外部存储
• Codis FE：集群管理界面
  • 多个集群实例共享可以共享同一个前端展示页面；
  • 通过配置文件管理后端 codis-dashboard 列表，配置文件可自动更新。
• Storage：为集群状态提供外部存储
  • 提供 Namespace 概念，不同集群的会按照不同 product name 进行组织
  • 目前仅提供了 Zookeeper、Etcd、Fs 三种实现，但是提供了抽象的 interface 可自行扩展

集群搭建

下载软件

#下载golang1.8.3 不好下载可以从本地上传 rz
wget https://storage.googleapis.com/golang/go1.8.3.linux-amd64.tar.gz
#解压
tar zxvf go1.8.3.linux-amd64.tar.gz
#下载jdk
#采用rz上传 jdk-linux-x64.tar.gz
tar -zxvf jdk-linux-x64.tar.gz
#下载zookeeper
wget https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/apache/zookeeper/zookeeper-
3.4.14/zookeeper-3.4.14.tar.gz
#解压
tar -zxvf zookeeper-3.4.14.tar.gz

设置配置文件

vim /etc/profile
#golang
export GOROOT=/usr/go
#codis编译路径
export GOPATH=/usr/codis
#java
export JAVA_HOME=/usr/jdk1.8.0_131
export JRE_HOME=${JAVA_HOME}/jre
export CLASSPATH=.:${JAVA_HOME}/lib:${JRE_HOME}/lib:$CLASSPATH
export JAVA_PATH=${JAVA_HOME}/bin:${JRE_HOME}/bin
#zookeeper
export ZOOKEEPER_HOME=/usr/zookeeper-3.4.14/
#path
export PATH=$PATH:${GOROOT}/bin:${JAVA_PATH}:${ZOOKEEPER_HOME}/bin