基于redis分布式缓存实现

鸦鸦

在网上找了些redis搭建集群的资料，分享给大家，可以仔细看看，了解redis主从复制的逻辑，以及如何构建redis集群。


Redis复制流程概述Redis的复制功能是完全建立在之前我们讨论过的基于内存快照的持久化策略基础上的，也就是说无论你的持久化策略选择的是什么，只要用到了Redis的复制功能，就一定会有内存快照发生，那么首先要注意你的系统内存容量规划，原因可以参考我上一篇文章中提到的Redis磁盘IO问题。
Redis复制流程在Slave和Master端各自是一套状态机流转，涉及的状态信息是：
Slave 端：
REDIS_REPL_NONEREDIS_REPL_CONNECTREDIS_REPL_CONNECTEDMaster端：
REDIS_REPL_WAIT_BGSAVE_STARTREDIS_REPL_WAIT_BGSAVE_ENDREDIS_REPL_SEND_BULKREDIS_REPL_ONLINE整个状态机流程过程如下：

• Slave端在配置文件中添加了slave of指令，于是Slave启动时读取配置文件，初始状态为REDIS_REPL_CONNECT。
  
• Slave端在定时任务serverCron(Redis内部的定时器触发事件)中连接Master，发送sync命令，然后阻塞等待master发送回其内存快照文件(最新版的Redis已经不需要让Slave阻塞)。
  
• Master端收到sync命令简单判断是否有正在进行的内存快照子进程，没有则立即开始内存快照，有则等待其结束，当快照完成后会将该文件发送给Slave端。
  
• Slave端接收Master发来的内存快照文件，保存到本地，待接收完成后，清空内存表，重新读取Master发来的内存快照文件，重建整个内存表数据结构，并最终状态置位为 REDIS_REPL_CONNECTED状态，Slave状态机流转完成。
  
• Master端在发送快照文件过程中，接收的任何会改变数据集的命令都会暂时先保存在Slave网络连接的发送缓存队列里（list数据结构），待快照完成后，依次发给Slave,之后收到的命令相同处理，并将状态置位为 REDIS_REPL_ONLINE。
  

整个复制过程完成，流程如下图所示：

Redis复制机制的缺陷从上面的流程可以看出，Slave从库在连接Master主库时，Master会进行内存快照，然后把整个快照文件发给Slave，也就是没有象MySQL那样有复制位置的概念，即无增量复制，这会给整个集群搭建带来非常多的问题。
比如一台线上正在运行的Master主库配置了一台从库进行简单读写分离，这时Slave由于网络或者其它原因与Master断开了连接，那么当Slave进行重新连接时，需要重新获取整个Master的内存快照，Slave所有数据跟着全部清除，然后重新建立整个内存表，一方面Slave恢复的时间会非常慢，另一方面也会给主库带来压力。
所以基于上述原因，如果你的Redis集群需要主从复制，那么最好事先配置好所有的从库，避免中途再去增加从库。
Cache还是Storage在我们分析过了Redis的复制与持久化功能后，我们不难得出一个结论，实际上Redis目前发布的版本还都是一个单机版的思路，主要的问题集中在，持久化方式不够成熟，复制机制存在比较大的缺陷，这时我们又开始重新思考Redis的定位：Cache还是Storage？
如果作为Cache的话，似乎除了有些非常特殊的业务场景，必须要使用Redis的某种数据结构之外，我们使用Memcached可能更合适，毕竟Memcached无论客户端包和服务器本身更久经考验。
如果是作为存储Storage的话，我们面临的最大的问题是无论是持久化还是复制都没有办法解决Redis单点问题，即一台Redis挂掉了，没有太好的办法能够快速的恢复，通常几十G的持久化数据，Redis重启加载需要几个小时的时间，而复制又有缺陷，如何解决呢？
Redis可扩展集群搭建1.主动复制避开Redis复制缺陷。既然Redis的复制功能有缺陷，那么我们不妨放弃Redis本身提供的复制功能，我们可以采用主动复制的方式来搭建我们的集群环境。
所谓主动复制是指由业务端或者通过代理中间件对Redis存储的数据进行双写或多写，通过数据的多份存储来达到与复制相同的目的，主动复制不仅限于用在Redis集群上，目前很多公司采用主动复制的技术来解决MySQL主从之间复制的延迟问题，比如Twitter还专门开发了用于复制和分区的中间件gizzard(https://github.com/twitter/gizzard)。
主动复制虽然解决了被动复制的延迟问题，但也带来了新的问题，就是数据的一致性问题，数据写2次或多次，如何保证多份数据的一致性呢？如果你的应用对数据一致性要求不高，允许最终一致性的话，那么通常简单的解决方案是可以通过时间戳或者vector clock等方式，让客户端同时取到多份数据并进行校验，如果你的应用对数据一致性要求非常高，那么就需要引入一些复杂的一致性算法比如Paxos来保证数据的一致性，但是写入性能也会相应下降很多。
通过主动复制，数据多份存储我们也就不再担心Redis单点故障的问题了，如果一组Redis集群挂掉，我们可以让业务快速切换到另一组Redis上，降低业务风险。
2. 通过presharding进行Redis在线扩容。通过主动复制我们解决了Redis单点故障问题，那么还有一个重要的问题需要解决：容量规划与在线扩容问题。
我们前面分析过Redis的适用场景是全部数据存储在内存中，而内存容量有限，那么首先需要根据业务数据量进行初步的容量规划，比如你的业务数据需要100G存储空间，假设服务器内存是48G，那么根据上一篇我们讨论的Redis磁盘IO的问题，我们大约需要3~4台服务器来存储。这个实际是对现有业务情况所做的一个容量规划，假如业务增长很快，很快就会发现当前的容量已经不够了，Redis里面存储的数据很快就会超过物理内存大小，那么如何进行Redis的在线扩容呢？
Redis的作者提出了一种叫做presharding的方案来解决动态扩容和数据分区的问题，实际就是在同一台机器上部署多个Redis实例的方式，当容量不够时将多个实例拆分到不同的机器上，这样实际就达到了扩容的效果。
拆分过程如下：

• 在新机器上启动好对应端口的Redis实例。
  
• 配置新端口为待迁移端口的从库。
  
• 待复制完成，与主库完成同步后，切换所有客户端配置到新的从库的端口。
  
• 配置从库为新的主库。
  
• 移除老的端口实例。
  
• 重复上述过程迁移好所有的端口到指定服务器上。
  

以上拆分流程是Redis作者提出的一个平滑迁移的过程，不过该拆分方法还是很依赖Redis本身的复制功能的，如果主库快照数据文件过大，这个复制的过程也会很久，同时会给主库带来压力。所以做这个拆分的过程最好选择为业务访问低峰时段进行。
Redis复制的改进思路我们线上的系统使用了我们自己改进版的Redis,主要解决了Redis没有增量复制的缺陷，能够完成类似Mysql Binlog那样可以通过从库请求日志位置进行增量复制。
我们的持久化方案是首先写Redis的AOF文件，并对这个AOF文件按文件大小进行自动分割滚动，同时关闭Redis的Rewrite命令，然后会在业务低峰时间进行内存快照存储，并把当前的AOF文件位置一起写入到快照文件中，这样我们可以使快照文件与AOF文件的位置保持一致性，这样我们得到了系统某一时刻的内存快照，并且同时也能知道这一时刻对应的AOF文件的位置，那么当从库发送同步命令时，我们首先会把快照文件发送给从库，然后从库会取出该快照文件中存储的AOF文件位置，并将该位置发给主库，主库会随后发送该位置之后的所有命令，以后的复制就都是这个位置之后的增量信息了。

Redis与MySQL的结合目前大部分互联网公司使用MySQL作为数据的主要持久化存储，那么如何让Redis与MySQL很好的结合在一起呢？我们主要使用了一种基于MySQL作为主库，Redis作为高速数据查询从库的异构读写分离的方案。
为此我们专门开发了自己的MySQL复制工具，可以方便的实时同步MySQL中的数据到Redis上。

（MySQL-Redis 异构读写分离）
总结：

• Redis的复制功能没有增量复制，每次重连都会把主库整个内存快照发给从库，所以需要避免向在线服务的压力较大的主库上增加从库。
  
• Redis的复制由于会使用快照持久化方式，所以如果你的Redis持久化方式选择的是日志追加方式(aof),那么系统有可能在同一时刻既做aof日志文件的同步刷写磁盘，又做快照写磁盘操作，这个时候Redis的响应能力会受到影响。所以如果选用aof持久化，则加从库需要更加谨慎。
  
• 可以使用主动复制和presharding方法进行Redis集群搭建与在线扩容。
  

　　http://www.infoq.com/cn/articles/tq-redis-copy-build-scalable-cluster
　　

　　

　　
[置顶] 基于redis分布式缓存实现
分类： 分布式相关2012-11-1720:59 11259人阅读 评论(24) 收藏 举报简单说明下，写此文章算是对自己近一段工作的总结，希望能对你有点帮助，同时也是自己的一点小积累。


一.为什么选择redis

在项目中使用redis做为缓存，还没有使用memcache,考虑因素主要有两点：
1.redis丰富的数据结构,其hash,list,set以及功能丰富的String的支持，对于实际项目中的使用有很大的帮忙。（可参考官网redis.io）
2.redis单点的性能也非常高效（利用项目中的数据测试优于memcache）.
基于以上考虑，因此选用了redis来做为缓存应用。
二.分布式缓存的架构设计
1.架构设计
由于redis是单点，项目中需要使用，必须自己实现分布式。基本架构图如下所示：




2.分布式实现
通过key做一致性哈希，实现key对应redis结点的分布。
一致性哈希的实现：
l        hash值计算：通过支持MD5与MurmurHash两种计算方式，默认是采用MurmurHash，高效的hash计算。
l        一致性的实现：通过java的TreeMap来模拟环状结构，实现均匀分布
3.client的选择
对于jedis修改的主要是分区模块的修改，使其支持了跟据BufferKey进行分区，跟据不同的redis结点信息，可以初始化不同的ShardInfo，同时也修改了JedisPool的底层实现，使其连接pool池支持跟据key,value的构造方法，跟据不同ShardInfos，创建不同的jedis连接客户端，达到分区的效果，供应用层调用
4.模块的说明
l        脏数据处理模块，处理失败执行的缓存操作。
l        屏蔽监控模块，对于jedis操作的异常监控，当某结点出现异常可控制redis结点的切除等操作。
整个分布式模块通过hornetq，来切除异常redis结点。对于新结点的增加，也可以通过reload方法实现增加。（此模块对于新增结点也可以很方便实现）
对于以上分布式架构的实现满足了项目的需求。另外使用中对于一些比较重要用途的缓存数据可以单独设置一些redis结点，设定特定的优先级。另外对于缓存接口的设计，也可以跟据需求，实现基本接口与一些特殊逻辑接口。对于cas相关操作，以及一些事物操作可以通过其watch机制来实现。（参考我以前写的redis事物介绍）


以上是基于redis分布式架构的介绍！但是应用中读写都是在一起的。相关写是在应用操作后flush或者update的，有一定的耦合。为了使读写分离，以及缓存模块跟应用的耦合更小，考虑使用mysql binlog来刷新缓存。以下是基于binlog刷新可性行分析以及实现过程中需要注意的地方。


三.采用binlog架构刷新缓存可行性分析

1.Mysql日志格式介绍可参考我以前的的介绍。
2.对于使用MIXED日志格式，此日志格式，记录的是对应数据库操作的SQL语句，采用此日志方式存在的问题：
l        对于一些未任何更新操作的SQl语句，像条件不满足，对应的sql也会记录到binlog日志中。
l        SQL语句记录的未必包括所有的更新操作。
l        对于一些分布式数据库，对于SQL中的where条件指定的是非均衡字段，也许会存在多条SQL,跟设计有关！
基于以上考虑，采用MIXED的日志格式进行binlog解析是行不通的。（官网给出的指示是failed statementsare not logged ，但不包括语法没错误，更新条件不符合对应的SQL）
3.采用ROW日志格式
对于此日志格式，每行变化都有对应的记录，此日志格式，对于解析及采集数据都是非常方便的，也只有采用此日志格式，才能基于binlog修改，做刷新缓存相关方案的设计。但是基于此日志格式也存在一些问题：
l        需要考虑项目中是否有大量的批量的update操作，如果采用此日志格式，批量操作每一行修改都会记录一条日志，大量的批量操作所产生的日志量，以及所带来的IO开销是否可以接受。
通过以上分析，最终项目中还是考虑基于ROW日志格式进行缓存刷新，还有一个问题需要考虑，在应用层DB进行了相应的update操作后，所产生的Binlog是会带来一定的延迟，如果Binlog处理模块正常运行，数据是的延迟会非常少，MS级别以内，对用户体验是没有感知的，但是Binlog模块是多点，异常，以及相应的延迟肯定会是存在的，这样，缓存数据肯定会存在脏数据。
不过通过以上方案，数据能达到最终一致性，因此how to权衡，需要考虑。
通过以上分析，是否采用Binlog来做缓存数据刷新相信大家有一个基本概念了

四.基于binlog刷新缓存的实现时注意的地方
1.如果是采用java做相关开发，可以使用开源的tungstenAPI
2.Binlog日志解析是按照mysql 的master/slave同步流程来实现，即一个线程同步，一个线程解析。
3.设计是可分Binlog处理模块以及缓存处理SqlEvent两部分，其中Binlog处理解析好对应的SqlEvent，然后对应的缓存刷新处理SqlEvent,一个简单的生产者-消费者模式。
4.对于多个Binlog处理模块可以是单点，也可以是通过一些协同工具来管理，看需求。可以使用ZooKeeper等。
5.对于分布式缓存中的数据，对于Binlog来刷新的缓存数据会存在load数据的问题，为了减轻DB的额外压力，flush操作可在get缓存数据处完成。看需求，如果读写完全分享的话此DB的额外压力可以接收的话也可行。
6.对于缓存数据性一致性要求比较高的，可以通过版本号来控制，即在应用层引入一定的耦合，在DB操作时带mark ，缓存刷新是也mark，另外get操作时比较双版本号来达到数据的一致性。（此跟5谈论的一定的联系，读写是否完全分离，以及相应一致性实现的一些方法）
五.一点心得

前前后后，对redis完成调研，以及相关的一些使用，分布式缓存的实现，基于binlog方式的修改等，接触有一年多了，这段时间下来，学了很多，以上算是一点小记，这部分工作的一点小记。实现过程中存在更多的问题。
对于调研相关的一些工作，一定要做的仔细，相应的细节一定要了解透彻，否则也许一此小问题会导致整个方案的不可行，甚至更大的的问题。连锁反应！
接下来有时间会写一篇关于BloomFilter的的文章 ，以及D-Left_BloomFilter，在此说明，只为自己有更大的动力去完成它。项目中实现了D-Left_BloomFilter，但在网上没有相关实现，在对其优化后，会在博文上做一些小小的记录。


以上如果有什么不对的地方请指正，有什么相关问题也可以跟我联系，可以一起交流学习！

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一.为什么选择redis

在项目中使用redis做为缓存，还没有使用memcache,考虑因素主要有两点：
1.redis丰富的数据结构,其hash,list,set以及功能丰富的String的支持，对于实际项目中的使用有很大的帮忙。（可参考官网redis.io）
2.redis单点的性能也非常高效（利用项目中的数据测试优于memcache）.
基于以上考虑，因此选用了redis来做为缓存应用。
二.分布式缓存的架构设计
1.架构设计
由于redis是单点，项目中需要使用，必须自己实现分布式。基本架构图如下所示：




2.分布式实现
通过key做一致性哈希，实现key对应redis结点的分布。
一致性哈希的实现：
l        hash值计算：通过支持MD5与MurmurHash两种计算方式，默认是采用MurmurHash，高效的hash计算。
l        一致性的实现：通过java的TreeMap来模拟环状结构，实现均匀分布
3.client的选择
对于jedis修改的主要是分区模块的修改，使其支持了跟据BufferKey进行分区，跟据不同的redis结点信息，可以初始化不同的ShardInfo，同时也修改了JedisPool的底层实现，使其连接pool池支持跟据key,value的构造方法，跟据不同ShardInfos，创建不同的jedis连接客户端，达到分区的效果，供应用层调用
4.模块的说明
l        脏数据处理模块，处理失败执行的缓存操作。
l        屏蔽监控模块，对于jedis操作的异常监控，当某结点出现异常可控制redis结点的切除等操作。
整个分布式模块通过hornetq，来切除异常redis结点。对于新结点的增加，也可以通过reload方法实现增加。（此模块对于新增结点也可以很方便实现）
对于以上分布式架构的实现满足了项目的需求。另外使用中对于一些比较重要用途的缓存数据可以单独设置一些redis结点，设定特定的优先级。另外对于缓存接口的设计，也可以跟据需求，实现基本接口与一些特殊逻辑接口。对于cas相关操作，以及一些事物操作可以通过其watch机制来实现。（参考我以前写的redis事物介绍）


以上是基于redis分布式架构的介绍！但是应用中读写都是在一起的。相关写是在应用操作后flush或者update的，有一定的耦合。为了使读写分离，以及缓存模块跟应用的耦合更小，考虑使用mysql binlog来刷新缓存。以下是基于binlog刷新可性行分析以及实现过程中需要注意的地方。


三.采用binlog架构刷新缓存可行性分析

1.Mysql日志格式介绍可参考我以前的的介绍。
2.对于使用MIXED日志格式，此日志格式，记录的是对应数据库操作的SQL语句，采用此日志方式存在的问题：
l        对于一些未任何更新操作的SQl语句，像条件不满足，对应的sql也会记录到binlog日志中。
l        SQL语句记录的未必包括所有的更新操作。
l        对于一些分布式数据库，对于SQL中的where条件指定的是非均衡字段，也许会存在多条SQL,跟设计有关！
基于以上考虑，采用MIXED的日志格式进行binlog解析是行不通的。（官网给出的指示是failed statementsare not logged ，但不包括语法没错误，更新条件不符合对应的SQL）
3.采用ROW日志格式
对于此日志格式，每行变化都有对应的记录，此日志格式，对于解析及采集数据都是非常方便的，也只有采用此日志格式，才能基于binlog修改，做刷新缓存相关方案的设计。但是基于此日志格式也存在一些问题：
l        需要考虑项目中是否有大量的批量的update操作，如果采用此日志格式，批量操作每一行修改都会记录一条日志，大量的批量操作所产生的日志量，以及所带来的IO开销是否可以接受。
通过以上分析，最终项目中还是考虑基于ROW日志格式进行缓存刷新，还有一个问题需要考虑，在应用层DB进行了相应的update操作后，所产生的Binlog是会带来一定的延迟，如果Binlog处理模块正常运行，数据是的延迟会非常少，MS级别以内，对用户体验是没有感知的，但是Binlog模块是多点，异常，以及相应的延迟肯定会是存在的，这样，缓存数据肯定会存在脏数据。
不过通过以上方案，数据能达到最终一致性，因此how to权衡，需要考虑。
通过以上分析，是否采用Binlog来做缓存数据刷新相信大家有一个基本概念了

四.基于binlog刷新缓存的实现时注意的地方
1.如果是采用java做相关开发，可以使用开源的tungstenAPI
2.Binlog日志解析是按照mysql 的master/slave同步流程来实现，即一个线程同步，一个线程解析。
3.设计是可分Binlog处理模块以及缓存处理SqlEvent两部分，其中Binlog处理解析好对应的SqlEvent，然后对应的缓存刷新处理SqlEvent,一个简单的生产者-消费者模式。
4.对于多个Binlog处理模块可以是单点，也可以是通过一些协同工具来管理，看需求。可以使用ZooKeeper等。
5.对于分布式缓存中的数据，对于Binlog来刷新的缓存数据会存在load数据的问题，为了减轻DB的额外压力，flush操作可在get缓存数据处完成。看需求，如果读写完全分享的话此DB的额外压力可以接收的话也可行。
6.对于缓存数据性一致性要求比较高的，可以通过版本号来控制，即在应用层引入一定的耦合，在DB操作时带mark ，缓存刷新是也mark，另外get操作时比较双版本号来达到数据的一致性。（此跟5谈论的一定的联系，读写是否完全分离，以及相应一致性实现的一些方法）
五.一点心得

前前后后，对redis完成调研，以及相关的一些使用，分布式缓存的实现，基于binlog方式的修改等，接触有一年多了，这段时间下来，学了很多，以上算是一点小记，这部分工作的一点小记。实现过程中存在更多的问题。
对于调研相关的一些工作，一定要做的仔细，相应的细节一定要了解透彻，否则也许一此小问题会导致整个方案的不可行，甚至更大的的问题。连锁反应！
接下来有时间会写一篇关于BloomFilter的的文章 ，以及D-Left_BloomFilter，在此说明，只为自己有更大的动力去完成它。项目中实现了D-Left_BloomFilter，但在网上没有相关实现，在对其优化后，会在博文上做一些小小的记录。


以上如果有什么不对的地方请指正，有什么相关问题也可以跟我联系，可以一起交流学习！