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09 | 切片集群：数据增多了，是该加内存还是加实例？
你好，我是蒋德钧。今天我们来学习切片集群。
我曾遇到过这么一个需求：要用Redis保存5000万个键值对，每个键值对大约是512B，为了能快速部署并对外提供服务，我们采用云主机来运行Redis实例，那么，该如何选择云主机的内存容量呢？
我粗略地计算了一下，这些键值对所占的内存空间大约是25GB（5000万*512B）。所以，当时，我想到的第一个方案就是：选择一台32GB内存的云主机来部署Redis。因为32GB的内存能保存所有数据，而且还留有7GB，可以保证系统的正常运行。同时，我还采用RDB对数据做持久化，以确保Redis实例故障后，还能从RDB恢复数据。
但是，在使用的过程中，我发现，Redis的响应有时会非常慢。后来，我们使用INFO命令查看Redis的latest_fork_usec指标值（表示最近一次fork的耗时），结果显示这个指标值特别高，快到秒级别了。
这跟Redis的持久化机制有关系。在使用RDB进行持久化时，Redis会fork子进程来完成，fork操作的用时和Redis的数据量是正相关的，而fork在执行时会阻塞主线程。数据量越大，fork操作造成的主线程阻塞的时间越长。所以，在使用RDB对25GB的数据进行持久化时，数据量较大，后台运行的子进程在fork创建时阻塞了主线程，于是就导致Redis响应变慢了。
看来，第一个方案显然是不可行的，我们必须要寻找其他的方案。这个时候，我们注意到了Redis的切片集群。虽然组建切片集群比较麻烦，但是它可以保存大量数据，而且对Redis主线程的阻塞影响较小。
切片集群，也叫分片集群，就是指启动多个Redis实例组成一个集群，然后按照一定的规则，把收到的数据划分成多份，每一份用一个实例来保存。回到我们刚刚的场景中，如果把25GB的数据平均分成5份（当然，也可以不做均分），使用5个实例来保存，每个实例只需要保存5GB数据。如下图所示：
那么，在切片集群中，实例在为5GB数据生成RDB时，数据量就小了很多，fork子进程一般不会给主线程带来较长时间的阻塞。采用多个实例保存数据切片后，我们既能保存25GB数据，又避免了fork子进程阻塞主线程而导致的响应突然变慢。
在实际应用Redis时，随着用户或业务规模的扩展，保存大量数据的情况通常是无法避免的。而切片集群，就是一个非常好的解决方案。这节课，我们就来学习一下。
如何保存更多数据？
在刚刚的案例里，为了保存大量数据，我们使用了大内存云主机和切片集群两种方法。实际上，这两种方法分别对应着Redis应对数据量增多的两种方案：纵向扩展（scale up）和横向扩展（scale out）。
- 纵向扩展：升级单个Redis实例的资源配置，包括增加内存容量、增加磁盘容量、使用更高配置的CPU。就像下图中，原来的实例内存是8GB，硬盘是50GB，纵向扩展后，内存增加到24GB，磁盘增加到150GB。
- 横向扩展：横向增加当前Redis实例的个数，就像下图中，原来使用1个8GB内存、50GB磁盘的实例，现在使用三个相同配置的实例。
那么，这两种方式的优缺点分别是什么呢？
首先，纵向扩展的好处是，实施起来简单、直接。不过，这个方案也面临两个潜在的问题。
第一个问题是，当使用RDB对数据进行持久化时，如果数据量增加，需要的内存也会增加，主线程fork子进程时就可能会阻塞（比如刚刚的例子中的情况）。不过，如果你不要求持久化保存Redis数据，那么，纵向扩展会是一个不错的选择。
不过，这时，你还要面对第二个问题：纵向扩展会受到硬件和成本的限制。这很容易理解，毕竟，把内存从32GB扩展到64GB还算容易，但是，要想扩充到1TB，就会面临硬件容量和成本上的限制了。
与纵向扩展相比，横向扩展是一个扩展性更好的方案。这是因为，要想保存更多的数据，采用这种方案的话，只用增加Redis的实例个数就行了，不用担心单个实例的硬件和成本限制。在面向百万、千万级别的用户规模时，横向扩展的Redis切片集群会是一个非常好的选择。
不过，在只使用单个实例的时候，数据存在哪儿，客户端访问哪儿，都是非常明确的，但是，切片集群不可避免地涉及到多个实例的分布式管理问题。要想把切片集群用起来，我们就需要解决两大问题：
- 数据切片后，在多个实例之间如何分布？
- 客户端怎么确定想要访问的数据在哪个实例上？
接下来，我们就一个个地解决。
数据切片和实例的对应分布关系
在切片集群中，数据需要分布在不同实例上，那么，数据和实例之间如何对应呢？这就和接下来我要讲的Redis Cluster方案有关了。不过，我们要先弄明白切片集群和Redis Cluster的联系与区别。
实际上，切片集群是一种保存大量数据的通用机制，这个机制可以有不同的实现方案。在Redis 3.0之前，官方并没有针对切片集群提供具体的方案。从3.0开始，官方提供了一个名为Redis Cluster的方案，用于实现切片集群。Redis Cluster方案中就规定了数据和实例的对应规则。
具体来说，Redis Cluster方案采用哈希槽（Hash Slot，接下来我会直接称之为Slot），来处理数据和实例之间的映射关系。在Redis Cluster方案中，一个切片集群共有16384个哈希槽，这些哈希槽类似于数据分区，每个键值对都会根据它的key，被映射到一个哈希槽中。
具体的映射过程分为两大步：首先根据键值对的key，按照CRC16算法计算一个16 bit的值；然后，再用这个16bit值对16384取模，得到0~16383范围内的模数，每个模数代表一个相应编号的哈希槽。关于CRC16算法，不是这节课的重点，你简单看下链接中的资料就可以了。
那么，这些哈希槽又是如何被映射到具体的Redis实例上的呢？
我们在部署Redis Cluster方案时，可以使用cluster create命令创建集群，此时，Redis会自动把这些槽平均分布在集群实例上。例如，如果集群中有N个实例，那么，每个实例上的槽个数为16384/N个。
当然， 我们也可以使用cluster meet命令手动建立实例间的连接，形成集群，再使用cluster addslots命令，指定每个实例上的哈希槽个数。
举个例子，假设集群中不同Redis实例的内存大小配置不一，如果把哈希槽均分在各个实例上，在保存相同数量的键值对时，和内存大的实例相比，内存小的实例就会有更大的容量压力。遇到这种情况时，你可以根据不同实例的资源配置情况，使用cluster addslots命令手动分配哈希槽。
为了便于你理解，我画一张示意图来解释一下，数据、哈希槽、实例这三者的映射分布情况。
示意图中的切片集群一共有3个实例，同时假设有5个哈希槽，我们首先可以通过下面的命令手动分配哈希槽：实例1保存哈希槽0和1，实例2保存哈希槽2和3，实例3保存哈希槽4。
redis-cli -h 172.16.19.3 –p 6379 cluster addslots 0,1
redis-cli -h 172.16.19.4 –p 6379 cluster addslots 2,3
redis-cli -h 172.16.19.5 –p 6379 cluster addslots 4
在集群运行的过程中，key1和key2计算完CRC16值后，对哈希槽总个数5取模，再根据各自的模数结果，就可以被映射到对应的实例1和实例3上了。
另外，我再给你一个小提醒，在手动分配哈希槽时，需要把16384个槽都分配完，否则Redis集群无法正常工作。
好了，通过哈希槽，切片集群就实现了数据到哈希槽、哈希槽再到实例的分配。但是，即使实例有了哈希槽的映射信息，客户端又是怎么知道要访问的数据在哪个实例上呢？接下来，我就来和你聊聊。
客户端如何定位数据？
在定位键值对数据时，它所处的哈希槽是可以通过计算得到的，这个计算可以在客户端发送请求时来执行。但是，要进一步定位到实例，还需要知道哈希槽分布在哪个实例上。
一般来说，客户端和集群实例建立连接后，实例就会把哈希槽的分配信息发给客户端。但是，在集群刚刚创建的时候，每个实例只知道自己被分配了哪些哈希槽，是不知道其他实例拥有的哈希槽信息的。
那么，客户端为什么可以在访问任何一个实例时，都能获得所有的哈希槽信息呢？这是因为，Redis实例会把自己的哈希槽信息发给和它相连接的其它实例，来完成哈希槽分配信息的扩散。当实例之间相互连接后，每个实例就有所有哈希槽的映射关系了。
客户端收到哈希槽信息后，会把哈希槽信息缓存在本地。当客户端请求键值对时，会先计算键所对应的哈希槽，然后就可以给相应的实例发送请求了。
但是，在集群中，实例和哈希槽的对应关系并不是一成不变的，最常见的变化有两个：
- 在集群中，实例有新增或删除，Redis需要重新分配哈希槽；
- 为了负载均衡，Redis需要把哈希槽在所有实例上重新分布一遍。
此时，实例之间还可以通过相互传递消息，获得最新的哈希槽分配信息，但是，客户端是无法主动感知这些变化的。这就会导致，它缓存的分配信息和最新的分配信息就不一致了，那该怎么办呢？
Redis Cluster方案提供了一种**重定向机制，**所谓的“重定向”，就是指，客户端给一个实例发送数据读写操作时，这个实例上并没有相应的数据，客户端要再给一个新实例发送操作命令。
那客户端又是怎么知道重定向时的新实例的访问地址呢？当客户端把一个键值对的操作请求发给一个实例时，如果这个实例上并没有这个键值对映射的哈希槽，那么，这个实例就会给客户端返回下面的MOVED命令响应结果，这个结果中就包含了新实例的访问地址。
GET hello:key
(error) MOVED 13320 172.16.19.5:6379
其中，MOVED命令表示，客户端请求的键值对所在的哈希槽13320，实际是在172.16.19.5这个实例上。通过返回的MOVED命令，就相当于把哈希槽所在的新实例的信息告诉给客户端了。这样一来，客户端就可以直接和172.16.19.5连接，并发送操作请求了。
我画一张图来说明一下，MOVED重定向命令的使用方法。可以看到，由于负载均衡，Slot 2中的数据已经从实例2迁移到了实例3，但是，客户端缓存仍然记录着“Slot 2在实例2”的信息，所以会给实例2发送命令。实例2给客户端返回一条MOVED命令，把Slot 2的最新位置（也就是在实例3上），返回给客户端，客户端就会再次向实例3发送请求，同时还会更新本地缓存，把Slot 2与实例的对应关系更新过来。
需要注意的是，在上图中，当客户端给实例2发送命令时，Slot 2中的数据已经全部迁移到了实例3。在实际应用时，如果Slot 2中的数据比较多，就可能会出现一种情况：客户端向实例2发送请求，但此时，Slot 2中的数据只有一部分迁移到了实例3，还有部分数据没有迁移。在这种迁移部分完成的情况下，客户端就会收到一条ASK报错信息，如下所示：
GET hello:key
(error) ASK 13320 172.16.19.5:6379
这个结果中的ASK命令就表示，客户端请求的键值对所在的哈希槽13320，在172.16.19.5这个实例上，但是这个哈希槽正在迁移。此时，客户端需要先给172.16.19.5这个实例发送一个ASKING命令。这个命令的意思是，让这个实例允许执行客户端接下来发送的命令。然后，客户端再向这个实例发送GET命令，以读取数据。
看起来好像有点复杂，我再借助图片来解释一下。
在下图中，Slot 2正在从实例2往实例3迁移，key1和key2已经迁移过去，key3和key4还在实例2。客户端向实例2请求key2后，就会收到实例2返回的ASK命令。
ASK命令表示两层含义：第一，表明Slot数据还在迁移中；第二，ASK命令把客户端所请求数据的最新实例地址返回给客户端，此时，客户端需要给实例3发送ASKING命令，然后再发送操作命令。
和MOVED命令不同，ASK命令并不会更新客户端缓存的哈希槽分配信息。所以，在上图中，如果客户端再次请求Slot 2中的数据，它还是会给实例2发送请求。这也就是说，ASK命令的作用只是让客户端能给新实例发送一次请求，而不像MOVED命令那样，会更改本地缓存，让后续所有命令都发往新实例。
小结
这节课，我们学习了切片集群在保存大量数据方面的优势，以及基于哈希槽的数据分布机制和客户端定位键值对的方法。
在应对数据量扩容时，虽然增加内存这种纵向扩展的方法简单直接，但是会造成数据库的内存过大，导致性能变慢。Redis切片集群提供了横向扩展的模式，也就是使用多个实例，并给每个实例配置一定数量的哈希槽，数据可以通过键的哈希值映射到哈希槽，再通过哈希槽分散保存到不同的实例上。这样做的好处是扩展性好，不管有多少数据，切片集群都能应对。
另外，集群的实例增减，或者是为了实现负载均衡而进行的数据重新分布，会导致哈希槽和实例的映射关系发生变化，客户端发送请求时，会收到命令执行报错信息。了解了MOVED和ASK命令，你就不会为这类报错而头疼了。
我刚刚说过，在Redis 3.0 之前，Redis官方并没有提供切片集群方案，但是，其实当时业界已经有了一些切片集群的方案，例如基于客户端分区的ShardedJedis，基于代理的Codis、Twemproxy等。这些方案的应用早于Redis Cluster方案，在支撑的集群实例规模、集群稳定性、客户端友好性方面也都有着各自的优势，我会在后面的课程中，专门和你聊聊这些方案的实现机制，以及实践经验。这样一来，当你再碰到业务发展带来的数据量巨大的难题时，就可以根据这些方案的特点，选择合适的方案实现切片集群，以应对业务需求了。
每课一问
按照惯例，给你提一个小问题：Redis Cluster方案通过哈希槽的方式把键值对分配到不同的实例上，这个过程需要对键值对的key做CRC计算，然后再和哈希槽做映射，这样做有什么好处吗？如果用一个表直接把键值对和实例的对应关系记录下来（例如键值对1在实例2上，键值对2在实例1上），这样就不用计算key和哈希槽的对应关系了，只用查表就行了，Redis为什么不这么做呢？
欢迎你在留言区畅所欲言，如果你觉得有收获，也希望你能帮我把今天的内容分享给你的朋友，帮助更多人解决切片集群的问题。