搭建Redis“主-从-从”模式集群并使用 RedisTemplate 实现读写分离

2024-10-06 13:29 由尘尘尘发表于 #数据库

一、理论相关

我们知道，Redis具有高可靠性，其含义包括：

数据尽量少丢失 - AOF 和 RDB
服务尽量少中断 - 增加副本冗余量，将一份数据同时保存在多个实例上，即主从库模式

Redis主从库模式 - 保证数据副本的一致（读写分离）：

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

采用读写分离的原因：

如果客户端对同一个数据进行多次修改，每一次的修改请求都发送到不同的实例上，在不同的实例上执行，那么这个数据在多个实例上的副本就不一致了
如果要对不同实例上的数据一致，就涉及到加锁、实例间协商是否完成修改等操作，会带来巨额的开销

这时我们就引出主从库同步的原理。

1、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。

主从库建立连接、协商同步，为全量复制做准备

replicaof 172.16.19.3 6379

从库和主库建立连接，并告诉主库即将进行同步，主库确认回复后，主从库间开始同步

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 - 依赖于内存快照生成的RDB文件

从库接收到RDB文件后，会先清空当前数据库 - 从库在通过replicaof命令开始和主库同步前，可能保存了其它数据
主库将数据同步给从库的过程中，主库不会被阻塞，仍然可以正常接收请求。为保证主从库的数据一致性，主库会在内存中用专门的 replication buffer，记录 RDB 文件生成后收到的所有写操作

主库把第二阶段执行过程中新收到的写命令，再发送给从库

所有的从库都是和主库连接，所有的全量复制都是和主库进行的。

2、主从级联模式分担全量复制时的主库压力

一次全量复制中，对于主库需要完成两个耗时操作：

生成RDB文件 - fork操作会阻塞主线程处理正常请求
传输RDB文件 - 占用主库网络带宽

至此，我们引出：“主 - 从 - 从”模式

分担主库压力
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
部署主从集群时手动选择一个库（比如选择内存资源配置较高的从库），用于级联其它从库
在从库执行命令replicaof 所选从库IP 6379，建立主从关系

主从库间通过全量复制实现数据同步的过程，以及通过“主 - 从 - 从”模式分担主库压力
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。
风险：网络断联或阻塞

3、主从库间网络断了怎么办？

在 Redis 2.8 之前，如果主从库在命令传播时出现了网络闪断，那么，从库就会和主库重新进行一次全量复制，开销非常大。
从 Redis 2.8 开始，网络断了之后，主从库会采用增量复制的方式继续同步。

为避免环形缓冲区造成的主从库不一致，可以调整repl_backlog_size参数
- 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
- 也可以采用切片集群来分担单个主库的请求压力

4、小结

全量复制
- 一个Redis实例的数据库不要太大，一个实例大小在几GB级别比较合适，可以减少RDB文件生成、传输和重新加载的开销
- 避免多个从库同时和主库进行全量复制，给主库过大同步压力 - “主-从-从”
基于长连接的命令传播
增量复制
- 留意repl_backlog_size配置参数

二、实践

运行环境：虚拟机操作系统：centOS7，IP地址：192.168.88.130
已经安装好了 docker 和 docker-compose
采用Redis:7.4.0
至此，我们开始在虚拟机中搭建Redis“主-从-从”模式的主从库集群

[root@centos ~]# mkdir /root/docker/redis-cluster
[root@centos ~]# cd /root/docker/redis-cluster
[root@centos redis-cluster]# mkdir redis0
[root@centos redis-cluster]# mkdir redis1
[root@centos redis-cluster]# mkdir redis2
[root@centos redis-cluster]# mkdir redis3
[root@centos redis-cluster]# mkdir redis4

我们将redis0作为主库

redis1和redis2作为从库I和从库II（slave），redis3和redis4作为从库II的两个从库（主-从-从模式）

redis0

[root@centos redis-cluster]# mkdir redis0/data
[root@centos redis-cluster]# vi redis0/redis.conf

protected-mode no

bind 0.0.0.0

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

rdbcompression yes

dbfilename dump.rdb

dir /data

# 关闭 aof 日志备份
appendonly no

# 自定义密码
requirepass root

# 启动端口
port 6379

# 换成自己的虚拟机的IP
replica-announce-ip 192.168.88.130

redis1

[root@centos redis-cluster]# mkdir redis1/data
[root@centos redis-cluster]# vi redis1/redis.conf

replicaof [主节点ip] [主节点端口] ，该配置主要是让当前节点作为从节点，配置具体的主节点的地址和端口（Redis 5.0 之前使用 slaveof [主节点ip] [主节点端口]）
masterauth [主节点的访问密码] ，该配置主要是在主节点设置密码的情况下，能够让从节点通过密码访问主节点

protected-mode no

bind 0.0.0.0

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

rdbcompression yes

dbfilename dump.rdb

dir /data

# 关闭 aof 日志备份
appendonly no

# 启动端口
port 6479

# 将当前 redis 作为 redis0 的 slave
# 由于 docker 使用 host 模式，使用的是宿主机的 ip
replicaof 192.168.88.130 6379

# 自定义密码
requirepass root

# 访问 master 节点时需要提供的密码
masterauth root

masteruser redis0

replica-announce-ip 192.168.88.130

redis2

[root@centos redis-cluster]# mkdir redis2/data
[root@centos redis-cluster]# vi redis2/redis.conf

protected-mode no

bind 0.0.0.0

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

rdbcompression yes

dbfilename dump.rdb

dir /data

# 关闭 aof 日志备份
appendonly no

# 启动端口
port 6579

# 将当前 redis 作为 redis0 的 slave
# 由于 docker 使用 host 模式，使用的是宿主机的 ip
replicaof 192.168.88.130 6379

# 自定义密码
requirepass root

# 访问 master 节点时需要提供的密码
masterauth root

replica-announce-ip 192.168.88.130

redis3

[root@centos redis-cluster]# mkdir redis3/data
[root@centos redis-cluster]# vi redis3/redis.conf

protected-mode no

bind 0.0.0.0

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

rdbcompression yes

dbfilename dump.rdb

dir /data

# 关闭 aof 日志备份
appendonly no

# 启动端口
port 6679

# 将当前 redis 作为 redis2 的 slave
# 由于 docker 使用 host 模式，使用的是宿主机的 ip
replicaof 192.168.88.130 6579

# 自定义密码
requirepass root

# 访问 master 节点时需要提供的密码
masterauth root

replica-announce-ip 192.168.88.130

redis4

[root@centos redis-cluster]# mkdir redis4/data
[root@centos redis-cluster]# vi redis4/redis.conf

protected-mode no

bind 0.0.0.0

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

rdbcompression yes

dbfilename dump.rdb

dir /data

# 关闭 aof 日志备份
appendonly no

# 启动端口
port 6779

# 将当前 redis 作为 redis2 的 slave
# 由于 docker 使用 host 模式，使用的是宿主机的 ip
replicaof 192.168.88.130 6579

# 自定义密码
requirepass root

# 访问 master 节点时需要提供的密码
masterauth root

replica-announce-ip 192.168.88.130

接下来，我们在目录redis-cluster下新建文件docker-compose.yml：

services:
  redis0:
    image: redis
    container_name: redis0
    restart: always
    privileged: true
    network_mode: "host"
    volumes:
      - /root/docker/redis-cluster/redis0/data:/data
      - /root/docker/redis-cluster/redis0/redis.conf:/etc/redis.conf
    command:
      redis-server /etc/redis.conf

  redis1:
    image: redis
    container_name: redis1
    restart: always
    privileged: true
    network_mode: "host"
    volumes:
      - /root/docker/redis-cluster/redis1/data:/data
      - /root/docker/redis-cluster/redis1/redis.conf:/etc/redis.conf
    command:
      redis-server /etc/redis.conf
    depends_on:
      - redis0

  redis2:
    image: redis
    container_name: redis2
    restart: always
    privileged: true
    network_mode: "host"
    volumes:
      - /root/docker/redis-cluster/redis2/data:/data
      - /root/docker/redis-cluster/redis2/redis.conf:/etc/redis.conf
    command:
      redis-server /etc/redis.conf
    depends_on:
      - redis0

  redis3:
    image: redis
    container_name: redis3
    restart: always
    privileged: true
    network_mode: "host"
    volumes:
      - /root/docker/redis-cluster/redis3/data:/data
      - /root/docker/redis-cluster/redis3/redis.conf:/etc/redis.conf
    command:
      redis-server /etc/redis.conf
    depends_on:
      - redis2

  redis4:
    image: redis
    container_name: redis4
    restart: always
    privileged: true
    network_mode: "host"
    volumes:
      - /root/docker/redis-cluster/redis4/data:/data
      - /root/docker/redis-cluster/redis4/redis.conf:/etc/redis.conf
    command:
      redis-server /etc/redis.conf
    depends_on:
      - redis2

[root@centos redis-cluster]# vi docker-compose.yml
[root@centos redis-cluster]# docker-compose up -d

部署完成后，我们使用RDM连接部署的所有redis：

测试是否连接成功：
redis0:

redis1:

redis2:

redis3、redis4同理。

测试五个主从库读写操作：
redis0：（可读可写）

redis1、redis2：（可读不可写）
并且我们发现，redis1和redis2进行了主从库同步操作，即使我们没有在redis1和redis2中写入name:Monica，但它们和redis0建立连接后，主库会将数据同步给从库

redis3、redis4作为redis2的从库，同理，包含redis2的所有数据。

从RDM中我们也可以直观地看出，我们只对主库进行了一次写操作，但其连接的所有从库（包括从库的从库）都包含了这个数据：

通过以上验证表明：redis 的“主-从-从”模式集群已经搭建成功。

三、RedisTemplate 操作 Redis 集群实现读写分离

1、新建项目

我们新建一个SpringBoot项目，项目结构如下：

引入依赖

<!--Redis-->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

配置application.yml文件

spring:
    data:
        redis:
            # 这里只需配置主节点的信息即可
            # RedisTemplate可以从主节点信息中获取从节点信息
            host: 192.168.88.130
            port: 6379
            password: root
            jedis:
                pool:
                    # 最大连接数
                    max-active: 10
                    # 最大空闲连接数
                    max-idle: 5
                    # 最小空闲
                    min-idle: 1
                    # 连接超时时间（毫秒）
                    max-wait: 8000

对RedisTemplate进行配置

package com.chen.redisdemo.redisConfig;

import io.lettuce.core.ReadFrom;
import org.springframework.boot.autoconfigure.data.redis.LettuceClientConfigurationBuilderCustomizer;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnectionFactory;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.serializer.StringRedisSerializer;

/**
 * @version 1.0
 * @Author feiye
 * @Date 2024-10-06 12:15
 * @className RedisConfig
 * @since 1.0
 */
@Configuration
public class RedisConfig {

    //你可以将读取策略，设置为 ReadFrom.REPLICA 表示只从 slave 节点读取数据
    //然后你把 slave 节点全部停掉，然后看看是否能够读取成功
    @Bean
    public LettuceClientConfigurationBuilderCustomizer redisClientConfig() {
        //配置 redisTemplate 优先从 slave 节点读取数据，如果 slave 都宕机了，则从 master 读取
        return clientConfigurationBuilder -> clientConfigurationBuilder.readFrom(ReadFrom.REPLICA_PREFERRED);

        //配置 redisTemplate 优先从 slave 节点读取数据，如果 slave 都宕机了，则抛出异常
        //return clientConfigurationBuilder -> clientConfigurationBuilder.readFrom(ReadFrom.REPLICA);
    }

    @Bean
    public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory connectionFactory) {

        RedisTemplate<String, Object> redisTemplate = new RedisTemplate<>();

        //默认的Key序列化器为：JdkSerializationRedisSerializer
        redisTemplate.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        redisTemplate.setHashKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        redisTemplate.setConnectionFactory(connectionFactory);
        redisTemplate.setEnableTransactionSupport(true);
        return redisTemplate;
    }
}

编写测试类

package com.chen.redisdemo;

import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;

@SpringBootTest
class RedisDemoApplicationTests {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    @Test
    void writeTest() {
        redisTemplate.opsForValue().set("name", "Ross");
    }

    @Test
    void getTest() {
        Object name = redisTemplate.opsForValue().get("name");
        if (name != null) {
            System.out.println(name.toString());
        }
    }

}

2、如何证明 RedisTemplate 是从 Slave 节点中获取数据的？

首先我们修改一下 RedisConfig 类中的配置，让 RedisTemplate 只从 Slave 节点读取数据，不从 master 节点读取数据。

@Bean
public LettuceClientConfigurationBuilderCustomizer redisClientConfig() {
    //配置 redisTemplate 优先从 slave 节点读取数据，如果 slave 都宕机了，则抛出异常
    return clientConfigurationBuilder -> clientConfigurationBuilder.readFrom(ReadFrom.REPLICA);
}

然后我们在 Linux 虚拟机上，执行以下命令，停掉所有 Slave 节点服务：

[root@centos redis-cluster]# docker-compose stop redis3
[+] Stopping 1/1
 ✔ Container redis3  Stopped                                                                                                                                                                                 0.3s 
[root@centos redis-cluster]# docker-compose stop redis4
[+] Stopping 1/1
 ✔ Container redis4  Stopped                                                                                                                                                                                 0.2s 
[root@centos redis-cluster]# docker-compose stop redis2
[+] Stopping 1/1
 ✔ Container redis2  Stopped                                                                                                                                                                                 0.2s 
[root@centos redis-cluster]# docker-compose stop redis1
[+] Stopping 1/0
 ✔ Container redis1  Stopped

然后我们运行getTest()测试类，发现报错：

接下来，我们启动redis3或redis4中的任意一个：

我们发现，如果主节点和从节点全部宕机，只要启动其中一个从节点，主节点就会同时启动。

我们再次启动测试类getTest()：

此时已经可以读取了。

说明 RedisTemplate 就是从 Slave 节点中读取数据的。

测试完毕。

个人问题记录：
在进行部署后发现主从库连接失败，详情如下：

redis0：

redis1：

通过docker logs redis0查看日志，排查错误后发现是端口6379被占用。因为在之前我部署过单机redis，使用了端口6379，但没有将其kill，导致端口被占用
本人采用最粗暴的方法就是直接把容器rm了^^

参考博文：
Redis 主从集群搭建并使用 RedisTemplate 实现读写分离

参考书籍：
《Redis核心技术与实战》