Redis 核心技术与实战

 

 

目录

• 开篇词 | 这样学 Redis，才能技高一筹
• 01 | 基本架构：一个键值数据库包含什么？
• 02 | 数据结构：快速的Redis有哪些慢操作？
  • 键和值用什么结构组织？
  • 为什么哈希表操作变慢了？
  • 有哪些底层数据结构？
  • 不同操作的复杂度
• 03 | 高性能IO模型：为什么单线程Redis能那么快？
  • Redis 为什么用单线程？
    • 多线程的开销
  • 单线程 Redis 为什么那么快？
  • 基本 IO 模型与阻塞点
  • 非阻塞模式
  • 基于多路复用的高性能 I/O 模型
• 04 | AOF日志：宕机了，Redis如何避免数据丢失？
  • AOF 日志是如何实现的？
  • 三种写回策略
  • 日志文件太大了怎么办？
  • AOF 重写会阻塞吗?
• 05 | 内存快照：宕机后，Redis如何实现快速恢复？
  • 给哪些内存数据做快照？
  • 快照时数据能修改吗?
  • 可以每秒做一次快照吗？
• 06 | 数据同步：主从库如何实现数据一致？
  • 主从库间如何进行第一次同步？
  • 主从级联模式分担全量复制时的主库压力
  • 主从库间网络断了怎么办？
• 07 | 哨兵机制：主库挂了，如何不间断服务？
  • 哨兵机制的基本流程
  • 主观下线和客观下线
  • 如何选定新主库？
• 08 | 哨兵集群：哨兵挂了，主从库还能切换吗？
  • 基于 pub/sub 机制的哨兵集群组成
  • 基于 pub/sub 机制的客户端事件通知
  • 由哪个哨兵执行主从切换？
• 23 | 旁路缓存：Redis是如何工作的？
  • 缓存的特征
  • Redis 缓存处理请求的两种情况
  • Redis 作为旁路缓存的使用操作
  • 缓存的类型
    • 只读缓存
    • 读写缓存
  • 小结

 

开篇词 | 这样学 Redis，才能技高一筹

Redis 知识全景图

Redis 问题画像图

01 | 基本架构：一个键值数据库包含什么？

从 SimpleKV 到 Redis

02 | 数据结构：快速的Redis有哪些慢操作？

Redis 数据类型和底层数据结构的对应关系

键和值用什么结构组织？

全局哈希表

为什么哈希表操作变慢了？

哈希表的哈希冲突

渐进式 rehash

有哪些底层数据结构？

集合类型的底层数据结构主要有 5 种：整数数组、双向链表、哈希表、压缩列表和跳表。

压缩列表的查找

跳表的快速查找过程

数据结构的时间复杂度

不同操作的复杂度

• 单元素操作是基础；
• 范围操作非常耗时；
• 统计操作通常高效；
• 例外情况只有几个。

03 | 高性能IO模型：为什么单线程Redis能那么快？

为什么单线程的 Redis 能那么快？

Redis 是单线程，主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。但 Redis 的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。

Redis 为什么用单线程？

多线程的开销

线程数与系统吞吐率

一个关键的瓶颈在于，系统中通常会存在被多线程同时访问的共享资源，比如一个共享的数据结构。当有多个线程要修改这个共享资源时，为了保证共享资源的正确性，就需要有额外的机制进行保证，而这个额外的机制，就会带来额外的开销。

多线程编程模式面临的共享资源的并发访问控制问题。

并发访问控制一直是多线程开发中的一个难点问题，如果没有精细的设计，比如说，只是简单地采用一个粗粒度互斥锁，就会出现不理想的结果：即使增加了线程，大部分线程也在等待获取访问共享资源的互斥锁，并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。

而且，采用多线程开发一般会引入同步原语来保护共享资源的并发访问，这也会降低系统代码的易调试性和可维护性。为了避免这些问题，Redis 直接采用了单线程模式。

单线程 Redis 为什么那么快？

通常来说，单线程的处理能力要比多线程差很多，但是 Redis 却能使用单线程模型达到每秒数十万级别的处理能力，这是为什么呢？

一方面，Redis 的大部分操作在内存上完成，再加上它采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表，这是它实现高性能的一个重要原因。另一方面，就是 Redis 采用了多路复用机制，使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，实现高吞吐率。

基本 IO 模型与阻塞点

Redis基本 IO 模型

非阻塞模式

Redis 套接字类型与非阻塞设置

基于多路复用的高性能 I/O 模型

Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个监听套接字和已连接套接字。内核会一直监听这些套接字上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。

为了在请求到达时能通知到 Redis 线程，select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的处理函数。

这些事件会被放进一个事件队列，Redis 单线程对该事件队列不断进行处理。这样一来，Redis 无需一直轮询是否有请求实际发生，这就可以避免造成 CPU 资源浪费。同时，Redis 在对事件队列中的事件进行处理时，会调用相应的处理函数，这就实现了基于事件的回调。因为 Redis 一直在对事件队列进行处理，所以能及时响应客户端请求，提升 Redis 的响应性能。

04 | AOF日志：宕机了，Redis如何避免数据丢失？

AOF 日志是如何实现的？

写后日志

Redis AOF操作过程

AOF 里记录的是 Redis 收到的每一条命令，这些命令是以文本形式保存的。

Redis AOF 日志内容

但是，为了避免额外的检查开销，Redis 在向 AOF 里面记录日志的时候，并不会先去对这些命令进行语法检查。

写后日志这种方式，就是先让系统执行命令，只有命令能执行成功，才会被记录到日志中，否则，系统就会直接向客户端报错。所以，Redis 使用写后日志这一方式的一大好处是，可以避免出现记录错误命令的情况。

除此之外，AOF 还有一个好处：它是在命令执行后才记录日志，所以不会阻塞当前的写操作。

不过，AOF 也有两个潜在的风险。

首先，如果刚执行完一个命令，还没有来得及记日志就宕机了，那么这个命令和相应的数据就有丢失的风险。

其次，AOF 虽然避免了对当前命令的阻塞，但可能会给下一个操作带来阻塞风险。

这两个风险都是和 AOF 写回磁盘的时机相关的。

三种写回策略

AOF 配置项 appendfsync 的三个可选值。

• Always，同步写回：每个写命令执行完，立马同步地将日志写回磁盘；
• Everysec，每秒写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，每隔一秒把缓冲区中的内容写入磁盘；
• No，操作系统控制的写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘。

针对避免主线程阻塞和减少数据丢失问题，这三种写回策略都无法做到两全其美。

• “同步写回”可以做到基本不丢数据，但是它在每一个写命令后都有一个慢速的落盘操作，不可避免地会影响主线程性能；
• 虽然“操作系统控制的写回”在写完缓冲区后，就可以继续执行后续的命令，但是落盘的时机已经不在 Redis 手中了，只要 AOF 记录没有写回磁盘，一旦宕机对应的数据就丢失了；
• “每秒写回”采用一秒写回一次的频率，避免了“同步写回”的性能开销，虽然减少了对系统性能的影响，但是如果发生宕机，上一秒内未落盘的命令操作仍然会丢失。所以，这只能算是，在避免影响主线程性能和避免数据丢失两者间取了个折中。

三种策略的写回时机，以及优缺点

想要获得高性能，就选择 No 策略；如果想要得到高可靠性保证，就选择 Always 策略；如果允许数据有一点丢失，又希望性能别受太大影响的话，那么就选择 Everysec 策略。

AOF 是以文件的形式在记录接收到的所有写命令。随着接收的写命令越来越多，AOF 文件会越来越大。

小心 AOF 文件过大带来的性能问题。

• 一是，文件系统本身对文件大小有限制，无法保存过大的文件；
• 二是，如果文件太大，之后再往里面追加命令记录的话，效率也会变低；
• 三是，如果发生宕机，AOF 中记录的命令要一个个被重新执行，用于故障恢复，如果日志文件太大，整个恢复过程就会非常缓慢，这就会影响到 Redis 的正常使用。

日志文件太大了怎么办？

AOF 重写机制就是在重写时，Redis 根据数据库的现状创建一个新的 AOF 文件，也就是说，读取数据库中的所有键值对，然后对每一个键值对用一条命令记录它的写入。

为什么重写机制可以把日志文件变小呢?

实际上，重写机制具有“多变一”功能。所谓的“多变一”，也就是说，旧日志文件中的多条命令，在重写后的新日志中变成了一条命令。

AOF 文件是以追加的方式，逐一记录接收到的写命令的。当一个键值对被多条写命令反复修改时，AOF 文件会记录相应的多条命令。但是，在重写的时候，是根据这个键值对当前的最新状态，为它生成对应的写入命令。

AOF 重写减少日志大小

AOF 重写会阻塞吗?

和 AOF 日志由主线程写回不同，重写过程是由后台子进程 bgrewriteaof 来完成的，这也是为了避免阻塞主线程，导致数据库性能下降。

重写的过程：“一个拷贝，两处日志”。

“一个拷贝”就是指，每次执行重写时，主线程 fork 出后台的 bgrewriteaof 子进程。此时，fork 会把主线程的内存拷贝一份给 bgrewriteaof 子进程，这里面就包含了数据库的最新数据。然后，bgrewriteaof 子进程就可以在不影响主线程的情况下，逐一把拷贝的数据写成操作，记入重写日志。

“两处日志”又是什么呢？因为主线程未阻塞，仍然可以处理新来的操作。此时，如果有写操作，第一处日志就是指正在使用的 AOF 日志，Redis 会把这个操作写到它的缓冲区。这样一来，即使宕机了，这个 AOF 日志的操作仍然是齐全的，可以用于恢复。而第二处日志，就是指新的 AOF 重写日志。这个操作也会被写到重写日志的缓冲区。这样，重写日志也不会丢失最新的操作。等到拷贝数据的所有操作记录重写完成后，重写日志记录的这些最新操作也会写入新的 AOF 文件，以保证数据库最新状态的记录。此时，我们就可以用新的 AOF 文件替代旧文件了。

AOF 非阻塞的重写过程

05 | 内存快照：宕机后，Redis如何实现快速恢复？

另一种持久化方法：内存快照。所谓内存快照，就是指内存中的数据在某一个时刻的状态记录。

和 AOF 相比，RDB 记录的是某一时刻的数据，并不是操作，所以，在做数据恢复时，我们可以直接把 RDB 文件读入内存，很快地完成恢复。

考虑两个关键问题：

• 对哪些数据做快照？这关系到快照的执行效率问题；
• 做快照时，数据还能被增删改吗？这关系到 Redis 是否被阻塞，能否同时正常处理请求。

给哪些内存数据做快照？

Redis 的数据都在内存中，为了提供所有数据的可靠性保证，它执行的是全量快照，也就是说，把内存中的所有数据都记录到磁盘中，这就类似于给 100 个人拍合影，把每一个人都拍进照片里。这样做的好处是，一次性记录了所有数据，一个都不少。

针对任何操作，我们都会提一个灵魂之问：“它会阻塞主线程吗?”

RDB 文件的生成是否会阻塞主线程？

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件，分别是 save 和 bgsave。

• save：在主线程中执行，会导致阻塞；
• bgsave：创建一个子进程，专门用于写入 RDB 文件，避免了主线程的阻塞，这也是 Redis RDB 文件生成的默认配置。

可以通过 bgsave 命令来执行全量快照，这既提供了数据的可靠性保证，也避免了对 Redis 的性能影响。

快照时数据能修改吗?

一个常见的误区，bgsave 避免阻塞和正常处理写操作并不是一回事。此时，主线程的确没有阻塞，可以正常接收请求，但是，为了保证快照完整性，它只能处理读操作，因为不能修改正在执行快照的数据。

为了快照而暂停写操作，肯定是不能接受的。所以这个时候，Redis 就会借助操作系统提供的写时复制技术（Copy-On-Write, COW），在执行快照的同时，正常处理写操作。

简单来说，bgsave 子进程是由主线程 fork 生成的，可以共享主线程的所有内存数据。bgsave 子进程运行后，开始读取主线程的内存数据，并把它们写入 RDB 文件。

此时，如果主线程对这些数据也都是读操作（例如图中的键值对 A），那么，主线程和 bgsave 子进程相互不影响。但是，如果主线程要修改一块数据（例如图中的键值对 C），那么，这块数据就会被复制一份，生成该数据的副本。然后，bgsave 子进程会把这个副本数据写入 RDB 文件，而在这个过程中，主线程仍然可以直接修改原来的数据。

写时复制机制保证快照期间数据可修改

这既保证了快照的完整性，也允许主线程同时对数据进行修改，避免了对正常业务的影响。

可以每秒做一次快照吗？

快照机制下的数据丢失

虽然 bgsave 执行时不阻塞主线程，但是，如果频繁地执行全量快照，也会带来两方面的开销。

• 一方面，频繁将全量数据写入磁盘，会给磁盘带来很大压力，多个快照竞争有限的磁盘带宽，前一个快照还没有做完，后一个又开始做了，容易造成恶性循环。
• 另一方面，bgsave 子进程需要通过 fork 操作从主线程创建出来。虽然，子进程在创建后不会再阻塞主线程，但是，fork 这个创建过程本身会阻塞主线程，而且主线程的内存越大，阻塞时间越长。如果频繁 fork 出 bgsave 子进程，这就会频繁阻塞主线程了。

增量快照，就是指，做了一次全量快照后，后续的快照只对修改的数据进行快照记录，这样可以避免每次全量快照的开销。

增量快照的前提是，我们需要记住哪些数据被修改了。

增量快照示意图

虽然跟 AOF 相比，快照的恢复速度快，但是，快照的频率不好把握，如果频率太低，两次快照间一旦宕机，就可能有比较多的数据丢失。如果频率太高，又会产生额外开销，那么，还有什么方法既能利用 RDB 的快速恢复，又能以较小的开销做到尽量少丢数据呢？

Redis 4.0 中提出了一个混合使用 AOF 日志和内存快照的方法。简单来说，内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，使用 AOF 日志记录这期间的所有命令操作。

这样一来，快照不用很频繁地执行，这就避免了频繁 fork 对主线程的影响。而且，AOF 日志也只用记录两次快照间的操作，也就是说，不需要记录所有操作了，因此，就不会出现文件过大的情况了，也可以避免重写开销。

内存快照和 AOF 混合使用

06 | 数据同步：主从库如何实现数据一致？

Redis 具有高可靠性，又是什么意思呢？

其实，这里有两层含义：一是数据尽量少丢失，二是服务尽量少中断。AOF 和 RDB 保证了前者，而对于后者，Redis 的做法就是增加副本冗余量，将一份数据同时保存在多个实例上。即使有一个实例出现了故障，需要过一段时间才能恢复，其他实例也可以对外提供服务，不会影响业务使用。

多实例保存同一份数据，听起来好像很不错，但是，我们必须要考虑一个问题：这么多副本，它们之间的数据如何保持一致呢？数据读写操作可以发给所有的实例吗？

Redis 提供了主从库模式，以保证数据副本的一致，主从库之间采用的是读写分离的方式。

• 读操作：主库、从库都可以接收；写操作：首先到主库执行，然后，主库将写操作同步给从库。
• 写操作：首先到主库执行，然后，主库将写操作同步给从库。

Redis 主从库和读写分离

那么，为什么要采用读写分离的方式呢？

主从库模式一旦采用了读写分离，所有数据的修改只会在主库上进行，不用协调三个实例。主库有了最新的数据后，会同步给从库，这样，主从库的数据就是一致的。

那么，主从库同步是如何完成的呢？主库数据是一次性传给从库，还是分批同步？要是主从库间的网络断连了，数据还能保持一致吗？

主从库间如何进行第一次同步？

当我们启动多个 Redis 实例的时候，它们相互之间就可以通过 replicaof（Redis 5.0 之前使用 slaveof）命令形成主库和从库的关系，之后会按照三个阶段完成数据的第一次同步。

主从库第一次同步的流程

第一阶段是主从库间建立连接、协商同步的过程，主要是为全量复制做准备。在这一步，从库和主库建立起连接，并告诉主库即将进行同步，主库确认回复后，主从库间就可以开始同步了。

FULLRESYNC 响应表示第一次复制采用的全量复制，也就是说，主库会把当前所有的数据都复制给从库。

在第二阶段，主库将所有数据同步给从库。从库收到数据后，在本地完成数据加载。这个过程依赖于内存快照生成的 RDB 文件。

最后，也就是第三个阶段，主库会把第二阶段执行过程中新收到的写命令，再发送给从库。

主从级联模式分担全量复制时的主库压力

通过分析主从库间第一次数据同步的过程，你可以看到，一次全量复制中，对于主库来说，需要完成两个耗时的操作：生成 RDB 文件和传输 RDB 文件。

如果从库数量很多，而且都要和主库进行全量复制的话，就会导致主库忙于 fork 子进程生成 RDB 文件，进行数据全量同步。fork 这个操作会阻塞主线程处理正常请求，从而导致主库响应应用程序的请求速度变慢。此外，传输 RDB 文件也会占用主库的网络带宽，同样会给主库的资源使用带来压力。那么，有没有好的解决方法可以分担主库压力呢？

“主 - 从 - 从”模式

可以通过“主 - 从 - 从”模式将主库生成 RDB 和传输 RDB 的压力，以级联的方式分散到从库上。

简单来说，我们在部署主从集群的时候，可以手动选择一个从库（比如选择内存资源配置较高的从库），用于级联其他的从库。然后，我们可以再选择一些从库（例如三分之一的从库），在这些从库上执行如下命令，让它们和刚才所选的从库，建立起主从关系。

这样一来，这些从库就会知道，在进行同步时，不用再和主库进行交互了，只要和级联的从库进行写操作同步就行了，这就可以减轻主库上的压力。

级联的“主-从-从”模式

一旦主从库完成了全量复制，它们之间就会一直维护一个网络连接，主库会通过这个连接将后续陆续收到的命令操作再同步给从库，这个过程也称为基于长连接的命令传播，可以避免频繁建立连接的开销。

主从库间网络断了怎么办？

网络断了之后，主从库会采用增量复制的方式继续同步。

全量复制是同步所有数据，而增量复制只会把主从库网络断连期间主库收到的命令，同步给从库。

那么，增量复制时，主从库之间具体是怎么保持同步的呢？

当主从库断连后，主库会把断连期间收到的写操作命令，写入 replication buffer，同时也会把这些操作命令也写入 repl_backlog_buffer 这个缓冲区。repl_backlog_buffer 是一个环形缓冲区，主库会记录自己写到的位置，从库则会记录自己已经读到的位置。

Redis repl_backlog_buffer 的使用

Redis 增量复制流程

不过，有一个地方我要强调一下，因为 repl_backlog_buffer 是一个环形缓冲区，所以在缓冲区写满后，主库会继续写入，此时，就会覆盖掉之前写入的操作。如果从库的读取速度比较慢，就有可能导致从库还未读取的操作被主库新写的操作覆盖了，这会导致主从库间的数据不一致。

因此，我们要想办法避免这一情况，一般而言，我们可以调整 repl_backlog_size 这个参数。这个参数和所需的缓冲空间大小有关。缓冲空间的计算公式是：缓冲空间大小 = 主库写入命令速度 * 操作大小 - 主从库间网络传输命令速度 * 操作大小。在实际应用中，考虑到可能存在一些突发的请求压力，我们通常需要把这个缓冲空间扩大一倍，即 repl_backlog_size = 缓冲空间大小 * 2，这也就是 repl_backlog_size 的最终值。

Redis 的主从库同步的基本原理，总结来说，有三种模式：全量复制、基于长连接的命令传播，以及增量复制。

07 | 哨兵机制：主库挂了，如何不间断服务？

主库故障后从库无法服务写操作

涉及到三个问题：

1. 主库真的挂了吗？
2. 该选择哪个从库作为主库？
3. 怎么把新主库的相关信息通知给从库和客户端呢？

哨兵机制的基本流程

哨兵其实就是一个运行在特殊模式下的 Redis 进程，主从库实例运行的同时，它也在运行。哨兵主要负责的就是三个任务：监控、选主（选择主库）和通知。

监控是指哨兵进程在运行时，周期性地给所有的主从库发送 PING 命令，检测它们是否仍然在线运行。如果从库没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会把它标记为“下线状态”；同样，如果主库也没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会判定主库下线，然后开始自动切换主库的流程。

这个流程首先是执行哨兵的第二个任务，选主。主库挂了以后，哨兵就需要从很多个从库里，按照一定的规则选择一个从库实例，把它作为新的主库。这一步完成后，现在的集群里就有了新主库。

然后，哨兵会执行最后一个任务：通知。在执行通知任务时，哨兵会把新主库的连接信息发给其他从库，让它们执行 replicaof 命令，和新主库建立连接，并进行数据复制。同时，哨兵会把新主库的连接信息通知给客户端，让它们把请求操作发到新主库上。

哨兵机制的三项任务与目标

在这三个任务中，通知任务相对来说比较简单，哨兵只需要把新主库信息发给从库和客户端，让它们和新主库建立连接就行，并不涉及决策的逻辑。但是，在监控和选主这两个任务中，哨兵需要做出两个决策：

• 在监控任务中，哨兵需要判断主库是否处于下线状态；
• 在选主任务中，哨兵也要决定选择哪个从库实例作为主库。

主观下线和客观下线

哨兵进程会使用 PING 命令检测它自己和主、从库的网络连接情况，用来判断实例的状态。

如果检测的是从库，那么，哨兵简单地把它标记为“主观下线”就行了，因为从库的下线影响一般不太大，集群的对外服务不会间断。

但是，如果检测的是主库，那么，哨兵还不能简单地把它标记为“主观下线”，开启主从切换。因为很有可能存在这么一个情况：那就是哨兵误判了，其实主库并没有故障。可是，一旦启动了主从切换，后续的选主和通知操作都会带来额外的计算和通信开销。

误判一般会发生在集群网络压力较大、网络拥塞，或者是主库本身压力较大的情况下。

那怎么减少误判呢？

哨兵机制，它通常会采用多实例组成的集群模式进行部署，这也被称为哨兵集群。引入多个哨兵实例一起来判断，就可以避免单个哨兵因为自身网络状况不好，而误判主库下线的情况。同时，多个哨兵的网络同时不稳定的概率较小，由它们一起做决策，误判率也能降低。

在判断主库是否下线时，不能由一个哨兵说了算，只有大多数的哨兵实例，都判断主库已经“主观下线”了，主库才会被标记为“客观下线”，这个叫法也是表明主库下线成为一个客观事实了。这个判断原则就是：少数服从多数。同时，这会进一步触发哨兵开始主从切换流程。

客观下线的判断

简单来说，“客观下线”的标准就是，当有 N 个哨兵实例时，最好要有 N/2 + 1 个实例判断主库为“主观下线”，才能最终判定主库为“客观下线”。这样一来，就可以减少误判的概率，也能避免误判带来的无谓的主从库切换。

如何选定新主库？

一般来说，我把哨兵选择新主库的过程称为“筛选 + 打分”。简单来说，我们在多个从库中，先按照一定的筛选条件，把不符合条件的从库去掉。然后，我们再按照一定的规则，给剩下的从库逐个打分，将得分最高的从库选为新主库。

新主库的选择过程

首先来看筛选的条件。

在选主时，除了要检查从库的当前在线状态，还要判断它之前的网络连接状态。

配置项 down-after-milliseconds * 10

接下来就要给剩余的从库打分了。我们可以分别按照三个规则依次进行三轮打分，这三个规则分别是从库优先级、从库复制进度以及从库 ID 号。只要在某一轮中，有从库得分最高，那么它就是主库了，选主过程到此结束。如果没有出现得分最高的从库，那么就继续进行下一轮。

基于复制进度的新主库选主原则

首先，哨兵会按照在线状态、网络状态，筛选过滤掉一部分不符合要求的从库，然后，依次按照优先级、复制进度、ID 号大小再对剩余的从库进行打分，只要有得分最高的从库出现，就把它选为新主库。

08 | 哨兵集群：哨兵挂了，主从库还能切换吗？

如果有哨兵实例在运行时发生了故障，主从库还能正常切换吗？

实际上，一旦多个实例组成了哨兵集群，即使有哨兵实例出现故障挂掉了，其他哨兵还能继续协作完成主从库切换的工作，包括判定主库是不是处于下线状态，选择新主库，以及通知从库和客户端。

如果你部署过哨兵集群的话就会知道，在配置哨兵的信息时，我们只需要用到下面的这个配置项，设置主库的 IP 和端口，并没有配置其他哨兵的连接信息。

sentinel monitor <master-name> <ip> <redis-port> <quorum> 

这些哨兵实例既然都不知道彼此的地址，又是怎么组成集群的呢？

基于 pub/sub 机制的哨兵集群组成

哨兵实例之间可以相互发现，要归功于 Redis 提供的 pub/sub 机制，也就是发布 / 订阅机制。

哨兵只要和主库建立起了连接，就可以在主库上发布消息了，比如说发布它自己的连接信息（IP 和端口）。同时，它也可以从主库上订阅消息，获得其他哨兵发布的连接信息。当多个哨兵实例都在主库上做了发布和订阅操作后，它们之间就能知道彼此的 IP 地址和端口。

为了区分不同应用的消息，Redis 会以频道的形式，对这些消息进行分门别类的管理。所谓的频道，实际上就是消息的类别。当消息类别相同时，它们就属于同一个频道。反之，就属于不同的频道。只有订阅了同一个频道的应用，才能通过发布的消息进行信息交换。

在主从集群中，主库上有一个名为“sentinel:hello”的频道，不同哨兵就是通过它来相互发现，实现互相通信的。

哨兵集群

那么，哨兵是如何知道从库的 IP 地址和端口的呢？

哨兵 INFO 命令

如何在客户端通过监控了解哨兵进行主从切换的过程呢？比如说，主从切换进行到哪一步了？这其实就是要求，客户端能够获取到哨兵集群在监控、选主、切换这个过程中发生的各种事件。

基于 pub/sub 机制的客户端事件通知

从本质上说，哨兵就是一个运行在特定模式下的 Redis 实例，只不过它并不服务请求操作，只是完成监控、选主和通知的任务。所以，每个哨兵实例也提供 pub/sub 机制，客户端可以从哨兵订阅消息。哨兵提供的消息订阅频道有很多，不同频道包含了主从库切换过程中的不同关键事件。

哨兵提供的消息订阅频道

有了 pub/sub 机制，哨兵和哨兵之间、哨兵和从库之间、哨兵和客户端之间就都能建立起连接了，再加上主库下线判断和选主依据，哨兵集群的监控、选主和通知三个任务就基本可以正常工作了。

由哪个哨兵执行主从切换？

确定由哪个哨兵执行主从切换的过程，和主库“客观下线”的判断过程类似，也是一个“投票仲裁”的过程。

任何一个实例只要自身判断主库“主观下线”后，就会给其他实例发送 is-master-down-by-addr 命令。接着，其他实例会根据自己和主库的连接情况，做出 Y 或 N 的响应，Y 相当于赞成票，N 相当于反对票。

主库“客观下线”

一个哨兵获得了仲裁所需的赞成票数后，就可以标记主库为“客观下线”。这个所需的赞成票数是通过哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的。赞成票包括哨兵自己的一张赞成票。

此时，这个哨兵就可以再给其他哨兵发送命令，表明希望由自己来执行主从切换，并让所有其他哨兵进行投票。这个投票过程称为“Leader 选举”。因为最终执行主从切换的哨兵称为 Leader，投票过程就是确定 Leader。

在投票过程中，任何一个想成为 Leader 的哨兵，要满足两个条件：第一，拿到半数以上的赞成票；第二，拿到的票数同时还需要大于等于哨兵配置文件中的 quorum 值。

3 个哨兵、quorum 为 2 的选举过程

在 T4 时刻，S2 才收到 T1 时 S1 发送的投票命令。因为 S2 已经在 T3 时同意了 S3 的投票请求，此时，S2 给 S1 回复 N，表示不同意 S1 成为 Leader。发生这种情况，是因为 S3 和 S2 之间的网络传输正常，而 S1 和 S2 之间的网络传输可能正好拥塞了，导致投票请求传输慢了。

哨兵集群能够进行成功投票，很大程度上依赖于选举命令的正常网络传播。如果网络压力较大或有短时堵塞，就可能导致没有一个哨兵能拿到半数以上的赞成票。所以，等到网络拥塞好转之后，再进行投票选举，成功的概率就会增加。

23 | 旁路缓存：Redis是如何工作的？

缓存的特征

计算机系统中的三层存储结构

计算机系统中，默认有两种缓存

缓存的第一个特征：在一个层次化的系统中，缓存一定是一个快速子系统，数据存在缓存中时，能避免每次从慢速子系统中存取数据。

缓存的第二个特征：缓存系统的容量大小总是小于后端慢速系统的，我们不可能把所有数据都放在缓存系统中。

Redis 缓存处理请求的两种情况

把 Redis 用作缓存时，我们会把 Redis 部署在数据库的前端，业务应用在访问数据时，会先查询 Redis 中是否保存了相应的数据。此时，根据数据是否存在缓存中，会有两种情况。

• 缓存命中：Redis 中有相应数据，就直接读取 Redis，性能非常快。
• 缓存缺失：Redis 中没有保存相应数据，就从后端数据库中读取数据，性能就会变慢。而且，一旦发生缓存缺失，为了让后续请求能从缓存中读取到数据，我们需要把缺失的数据写入 Redis，这个过程叫作缓存更新。缓存更新操作会涉及到保证缓存和数据库之间的数据一致性问题。

发生缓存命中或缺失时，应用读取数据的情况

使用 Redis 缓存时，我们基本有三个操作：

• 应用读取数据时，需要先读取 Redis；
• 发生缓存缺失时，需要从数据库读取数据；
• 发生缓存缺失时，还需要更新缓存。

那么，这些操作具体是由谁来做的呢？

Redis 作为旁路缓存的使用操作

Redis 是一个独立的系统软件，和业务应用程序是两个软件，当我们部署了 Redis 实例后，它只会被动地等待客户端发送请求，然后再进行处理。所以，如果应用程序想要使用 Redis 缓存，我们就要在程序中增加相应的缓存操作代码。所以，我们也把 Redis 称为旁路缓存，也就是说，读取缓存、读取数据库和更新缓存的操作都需要在应用程序中来完成。

那么，使用 Redis 缓存时，具体来说，我们需要在应用程序中增加三方面的代码：

• 当应用程序需要读取数据时，我们需要在代码中显式调用 Redis 的 GET 操作接口，进行查询；
• 如果缓存缺失了，应用程序需要再和数据库连接，从数据库中读取数据；
• 当缓存中的数据需要更新时，我们也需要在应用程序中显式地调用 SET 操作接口，把更新的数据写入缓存。

为了使用缓存，Web 应用程序需要有一个表示缓存系统的实例对象 redisCache，还需要主动调用 Redis 的 GET 接口，并且要处理缓存命中和缓存缺失时的逻辑，例如在缓存缺失时，需要更新缓存。

缓存的类型

按照 Redis 缓存是否接受写请求，我们可以把它分成只读缓存和读写缓存。

只读缓存

当 Redis 用作只读缓存时，应用要读取数据的话，会先调用 Redis GET 接口，查询数据是否存在。而所有的数据写请求，会直接发往后端的数据库，在数据库中增删改。对于删改的数据来说，如果 Redis 已经缓存了相应的数据，应用需要把这些缓存的数据删除，Redis 中就没有这些数据了。

当应用再次读取这些数据时，会发生缓存缺失，应用会把这些数据从数据库中读出来，并写到缓存中。这样一来，这些数据后续再被读取时，就可以直接从缓存中获取了，能起到加速访问的效果。

只读缓存

只读缓存直接在数据库中更新数据的好处是，所有最新的数据都在数据库中，而数据库是提供数据可靠性保障的，这些数据不会有丢失的风险。

读写缓存

对于读写缓存来说，除了读请求会发送到缓存进行处理（直接在缓存中查询数据是否存在)，所有的写请求也会发送到缓存，在缓存中直接对数据进行增删改操作。

但是，和只读缓存不一样的是，在使用读写缓存时，最新的数据是在 Redis 中，而 Redis 是内存数据库，一旦出现掉电或宕机，内存中的数据就会丢失。

根据业务应用对数据可靠性和缓存性能的不同要求，我们会有同步直写和异步写回两种策略。其中，同步直写策略优先保证数据可靠性，而异步写回策略优先提供快速响应。

同步直写是指，写请求发给缓存的同时，也会发给后端数据库进行处理，等到缓存和数据库都写完数据，才给客户端返回。

而异步写回策略，则是优先考虑了响应延迟。此时，所有写请求都先在缓存中处理。等到这些增改的数据要被从缓存中淘汰出来时，缓存将它们写回后端数据库。

同步直写和异步写回

小结

缓存的两个特征，分别是在分层系统中，数据暂存在快速子系统中有助于加速访问；缓存容量有限，缓存写满时，数据需要被淘汰。而 Redis 天然就具有高性能访问和数据淘汰机制，正好符合缓存的这两个特征的要求，所以非常适合用作缓存。

Redis 作为旁路缓存的特性，旁路缓存就意味着需要在应用程序中新增缓存逻辑处理的代码。

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