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隨著Redis的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在分布式系統(tǒng)的應(yīng)用中，很多用戶為了提高Redis的可用性和性能，通過多實(shí)例的方式來部署Redis。雖然多實(shí)例的部署方案在實(shí)現(xiàn)和部署上相對簡單，但也存在一系列問題，其中一個(gè)比較嚴(yán)重的問題就是Redis槽機(jī)制在多實(shí)例部署下可能會(huì)產(chǎn)生的一致性哈希困境。如何突破這個(gè)困境是當(dāng)前Redis多實(shí)例化部署必須解決的一個(gè)難題。
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#### 什么是Redis槽機(jī)制？
Redis槽機(jī)制是在Redis集群模式中采用的一種數(shù)據(jù)分片方式，其核心思想是將整個(gè)數(shù)據(jù)空間劃分為16384個(gè)槽位，然后將這些槽位均分到各個(gè)節(jié)點(diǎn)中去進(jìn)行存儲(chǔ)。具體地，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一部分槽位，根據(jù)key進(jìn)行hash后得到的hash值對應(yīng)的槽位確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)中。這樣的實(shí)現(xiàn)方式簡單易用，同時(shí)也滿足了分布式場景下數(shù)據(jù)的可用性和可擴(kuò)展性。
#### Redis多實(shí)例部署存在的問題
在Redis集群中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過互相通信以及槽位重定向機(jī)制來保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。但是，在Redis多實(shí)例部署中，如果各個(gè)實(shí)例之間單獨(dú)運(yùn)行，那么就會(huì)出現(xiàn)各個(gè)實(shí)例之間數(shù)據(jù)不一致、數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)漏掉等問題，因?yàn)楦鱾€(gè)實(shí)例之間并沒有數(shù)據(jù)的交互和協(xié)同。為了解決這個(gè)問題，就有了采用一致性哈希的方式來保證數(shù)據(jù)的一致性。一致性哈希的核心就是通過key進(jìn)行hash后映射到不同的節(jié)點(diǎn)中去進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣就可以通過限定訪問某個(gè)實(shí)例的數(shù)據(jù)來減少不同實(shí)例之間的數(shù)據(jù)重復(fù)。但是，一致性哈希也存在一些問題，其中一個(gè)比較嚴(yán)重的問題就是哈希傾斜。也就是某個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的哈希值范圍過大，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)都被存儲(chǔ)到該節(jié)點(diǎn)上，從而導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)的性能受到影響。
#### 如何突破一致性哈希困境？
為了突破哈希傾斜的問題，業(yè)界提出了兩種解決方案。一種是提出一些負(fù)載均衡策略，如Round-Robin、Least-Connection等，按照輪詢或者連接數(shù)的方式來均衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。這種方法通常采用在Redis集群和代理中來實(shí)現(xiàn)，但是由于其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高且性能有所損耗，也存在相應(yīng)的問題，比如單一節(jié)點(diǎn)故障的影響較大等問題。
另一種則是在一致性哈希的基礎(chǔ)上優(yōu)化，提出了一些虛擬節(jié)點(diǎn)的概念。具體地，為了使每個(gè)實(shí)例的負(fù)載均衡，我們可以將每個(gè)實(shí)例對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)，并將這些虛擬節(jié)點(diǎn)按照哈希值等間隔地分散在整個(gè)哈希環(huán)中，使得哈希環(huán)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)，從而達(dá)到負(fù)載均衡的目的。這種方式能夠有效地解決哈希傾斜的問題，同時(shí)還能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)分布的一致性。在Redis集群和代理中也可以實(shí)現(xiàn)這種方式，以保證集群和代理的負(fù)載均衡，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)分布的平衡。
下面介紹一下RedisCluster中基于虛擬節(jié)點(diǎn)的一致性哈希的實(shí)現(xiàn)方式，代碼如下（以Python為例）：
“`python
class VirtualNode(object):
def __init__(self, node, index):
# node: 真實(shí)的節(jié)點(diǎn)對象
# index: 虛擬節(jié)點(diǎn)索引號
self.node = node
self.index = index
self.vnode_key = “%s-vnode%s” % (node.ip, index)
self.hashcode = md5(self.vnode_key).hexdigest()
class VirtualNodeCluster(object):
def __init__(self, nodes, vnum=512):
# nodes: 真實(shí)的節(jié)點(diǎn)列表
# vnum: 每個(gè)真實(shí)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量
self.hcircle = {}
for node in nodes:
for i in range(vnum):
vnode = VirtualNode(node, i)
self.hcircle[vnode.hashcode] = vnode
def get_node(self, key):
# 虛擬環(huán)上的節(jié)點(diǎn)按哈希值排序
hkeys = sorted(self.hcircle.keys())
if not hkeys:
return None
# 獲取key的哈希值并定位在虛擬環(huán)上
key_hash = md5(key).hexdigest()
for hkey in hkeys:
if key_hash
vnode = self.hcircle[hkey]
return vnode.node
return self.hcircle[hkeys[0]].node
上述代碼通過VirtualNode和VirtualNodeCluster實(shí)現(xiàn)了一致性哈希算法。其中，VirtualNode表示虛擬節(jié)點(diǎn)，包含真實(shí)節(jié)點(diǎn)、虛擬節(jié)點(diǎn)索引號、虛擬節(jié)點(diǎn)key以及虛擬節(jié)點(diǎn)哈希值等信息；VirtualNodeCluster則是一組虛擬節(jié)點(diǎn)的集合，通過對所有真實(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行哈希后，將其對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)平均散布在哈希環(huán)中。在get_node函數(shù)中，則是具體的一致性哈希實(shí)現(xiàn)算法，通過key進(jìn)行哈希后沿著哈希環(huán)定位到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終返回對應(yīng)的真實(shí)節(jié)點(diǎn)。
再來看一下使用上述代碼實(shí)現(xiàn)Redis多實(shí)例化部署一致哈希的方式，如下：
```python
import redis
class MyRedis(object):
def __init__(self, nodes, vnum=512, type='sentinel', master=None, name=None):
if type == 'sentinel':
self.conn = redis.RedisSentinel(nodes, socket_timeout=5)
self.connect = self.conn.master_for(master, socket_timeout=5)
elif type == 'cluster':
self.cluster = rediscluster.RedisCluster(startup_nodes=nodes)
else:
rse ValueError('invalid type: %s' % type)
# 新增如下代碼
self.cluster_nodes = [{'ip': node['ip'], 'port': node['port']} for node in nodes]
self.cluster_vnode = VirtualNodeCluster(self.cluster_nodes, vnum)
def __getattr__(self, name):
# 新增如下代碼
if name in ['get', 'set']:
return self._hash_value(name)
if hasattr(self.conn, name):
return getattr(self.conn, name)
rse AttributeError(name)
# 新增如下代碼
def _hash_value(self, name):
def _wrapper(key, *args, **kwargs):
node = self.cluster_node.get_node(key)
client = redis.Redis(host=node['ip'], port=node['port'], socket_timeout=5)
func = getattr(client, name)
return func(key, *args, **kwargs)
return _wrapper
在MyRedis中，我們支持sentinel和cluster兩種Redis多實(shí)例化部署方式，并新增_cluster_nodes和_cluster_vnode兩個(gè)屬性，其中_cluster_nodes存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)的ip和port信息，_cluster_vnode存儲(chǔ)了所有節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)。在__getattr__函數(shù)中，我們對get和set等常用的方法進(jìn)行了擴(kuò)展，通過自定義的_wrapper函數(shù)，調(diào)用一致性哈希算法獲取對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，再使用對應(yīng)的client對象來對數(shù)據(jù)進(jìn)行g(shù)et和
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分享文章：突破Redis槽多實(shí)例帶來的一致性哈希困境（redis槽一致性哈希）
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