大厂系列：Redis八股文，速速收藏（十）
40. 介绍下Redis Cluster
Redis 的哨兵模式基本已经可以实现高可用，读写分离 ，但是在这种模式下每台 Redis 服务器都存储相同的数据，很浪费内存，所以在 Redis3.0 上加入了 Cluster 集群模式，实现了 Redis 的分布式存储，对数据进行分片，也就是说每台 Redis 节点上存储不同的内容。
Redis Cluster是社区版推出的Redis分布式集群解决方案，主要解决Redis分布式方面的需求，比如，当遇到单机内存，并发和流量等瓶颈的时候，Redis Cluster能起到很好的负载均衡的目的。
Redis Cluster集群节点最小配置6个节点以上（3主3从），其中主节点提供读写操作，从节点作为备用节点，不提供请求，只作为故障转移使用。
Redis Cluster采用虚拟槽分区，所有的键根据哈希函数映射到0～16383个整数槽内，每个节点负责维护一部分槽以及槽所印映射的键值数据。
优点：
- 无中心架构；
- 数据按照slot存储分布在多个节点，节点间数据共享，可动态调整数据分布；
- 可扩展性：可线性扩展到1000多个节点，节点可动态添加或删除；
- 高可用性：部分节点不可用时，集群仍可用。通过增加Slave做standby数据副本，能够实现故障自动failover，节点之间通过gossip协议交换状态信息，用投票机制完成Slave到Master的角色提升；
- 降低运维成本，提高系统的扩展性和可用性。
缺点：
- Client实现复杂，驱动要求实现Smart Client，缓存slots mapping信息并及时更新，提高了开发难度，客户端的不成熟影响业务的稳定性。目前仅JedisCluster相对成熟，异常处理部分还不完善，比如常见的“max redirect exception”。
- 节点会因为某些原因发生阻塞（阻塞时间大于clutser-node-timeout），被判断下线，这种failover是没有必要的。
- 数据通过异步复制，不保证数据的强一致性。
- 多个业务使用同一套集群时，无法根据统计区分冷热数据，资源隔离性较差，容易出现相互影响的情况。
- Slave在集群中充当“冷备”，不能缓解读压力，当然可以通过SDK的合理设计来提高Slave资源的利用率。
- Key批量操作限制，如使用mset、mget目前只支持具有相同slot值的Key执行批量操作。对于映射为不同slot值的Key由于Keys不支持跨slot查询，所以执行mset、mget、sunion等操作支持不友好。
- Key事务操作支持有限，只支持多key在同一节点上的事务操作，当多个Key分布于不同的节点上时无法使用事务功能。
- Key作为数据分区的最小粒度，不能将一个很大的键值对象如hash、list等映射到不同的节点。
- 不支持多数据库空间，单机下的Redis可以支持到16个数据库，集群模式下只能使用1个数据库空间，即db 0。
- 复制结构只支持一层，从节点只能复制主节点，不支持嵌套树状复制结构。
- 避免产生hot-key，导致主库节点成为系统的短板。
- 避免产生big-key，导致网卡撑爆、慢查询等。
- 重试时间应该大于cluster-node-time时间。
- Redis Cluster不建议使用pipeline和multi-keys操作，减少max redirect产生的场景。
41. 介绍下Redis自研
Redis自研的高可用解决方案，主要体现在配置中心、故障探测和failover的处理机制上，通常需要根据企业业务的实际线上环境来定制化。
优点：
- 高可靠性、高可用性；
- 自主可控性高；
- 贴切业务实际需求，可缩性好，兼容性好。
缺点：
- 实现复杂，开发成本高；
- 需要建立配套的周边设施，如监控，域名服务，存储元数据信息的数据库等；
- 维护成本高。
42. Redis高可用方案具体怎么实施？
使用官方推荐的哨兵(sentinel)机制就能实现，当主节点出现故障时，由Sentinel自动完成故障发现和转移，并通知应用方，实现高可用性。它有四个主要功能：
- 集群监控，负责监控Redis master和slave进程是否正常工作。
- 消息通知，如果某个Redis实例有故障，那么哨兵负责发送消息作为报警通知给管理员。
- 故障转移，如果master node挂掉了，会自动转移到slave node上。
- 配置中心，如果故障转移发生了，通知client客户端新的master地址。
43. 了解主从复制的原理吗？
1、主从架构的核心原理
当启动一个slave node的时候，它会发送一个PSYNC命令给master node
如果这是slave node重新连接master node，那么master node仅仅会复制给slave部分缺少的数据; 否则如果是slave node第一次连接master node，那么会触发一次full resynchronization
开始full resynchronization的时候，master会启动一个后台线程，开始生成一份RDB快照文件，同时还会将从客户端收到的所有写命令缓存在内存中。RDB文件生成完毕之后，master会将这个RDB发送给slave，slave会先写入本地磁盘，然后再从本地磁盘加载到内存中。然后master会将内存中缓存的写命令发送给slave，slave也会同步这些数据。
slave node如果跟master node有网络故障，断开了连接，会自动重连。master如果发现有多个slave node都来重新连接，仅仅会启动一个rdb save操作，用一份数据服务所有slave node。
2、主从复制的断点续传
从Redis 2.8开始，就支持主从复制的断点续传，如果主从复制过程中，网络连接断掉了，那么可以接着上次复制的地方，继续复制下去，而不是从头开始复制一份
master node会在内存中常见一个backlog，master和slave都会保存一个replica offset还有一个master id，offset就是保存在backlog中的。如果master和slave网络连接断掉了，slave会让master从上次的replica offset开始继续复制
但是如果没有找到对应的offset，那么就会执行一次resynchronization
3、无磁盘化复制
master在内存中直接创建rdb，然后发送给slave，不会在自己本地落地磁盘了
repl-diskless-sync repl-diskless-sync-delay，等待一定时长再开始复制，因为要等更多slave重新连接过来
4、过期key处理
slave不会过期key，只会等待master过期key。如果master过期了一个key，或者通过LRU淘汰了一个key，那么会模拟一条del命令发送给slave。
44. 由于主从延迟导致读取到过期数据怎么处理？
- 通过scan命令扫库：当Redis中的key被scan的时候，相当于访问了该key，同样也会做过期检测，充分发挥Redis惰性删除的策略。这个方法能大大降低了脏数据读取的概率，但缺点也比较明显，会造成一定的数据库压力，否则影响线上业务的效率。
- Redis加入了一个新特性来解决主从不一致导致读取到过期数据问题，增加了key是否过期以及对主从库的判断，如果key已过期，当前访问的master则返回null；当前访问的是从库，且执行的是只读命令也返回null。
45. 主从复制的过程中如果因为网络原因停止复制了会怎么样？
如果出现网络故障断开连接了，会自动重连的，从Redis 2.8开始，就支持主从复制的断点续传，可以接着上次复制的地方，继续复制下去，而不是从头开始复制一份。
master如果发现有多个slave node都来重新连接，仅仅会启动一个rdb save操作，用一份数据服务所有slave node。
master node会在内存中创建一个backlog，master和slave都会保存一个replica offset，还有一个master id，offset就是保存在backlog中的。如果master和slave网络连接断掉了，slave会让master从上次的replica offset开始继续复制。
但是如果没有找到对应的offset，那么就会执行一次resynchronization全量复制。
46. Redis主从架构数据会丢失吗，为什么？
有两种数据丢失的情况：
- 异步复制导致的数据丢失：因为master -> slave的复制是异步的，所以可能有部分数据还没复制到slave，master就宕机了，此时这些部分数据就丢失了。
- 脑裂导致的数据丢失：某个master所在机器突然脱离了正常的网络，跟其他slave机器不能连接，但是实际上master还运行着，此时哨兵可能就会认为master宕机了，然后开启选举，将其他slave切换成了master。这个时候，集群里就会有两个master，也就是所谓的脑裂。此时虽然某个slave被切换成了master，但是可能client还没来得及切换到新的master，还继续写向旧master的数据可能也丢失了。因此旧master再次恢复的时候，会被作为一个slave挂到新的master上去，自己的数据会清空，重新从新的master复制数据。
47. 如何解决主从架构数据丢失的问题？
数据丢失的问题是不可避免的，但是我们可以尽量减少。
在Redis的配置文件里设置参数
min-slaves-to-write 1 min-slaves-max-lag 10
min-slaves-to-write默认情况下是0，min-slaves-max-lag默认情况下是10。
上面的配置的意思是要求至少有1个slave，数据复制和同步的延迟不能超过10秒。如果说一旦所有的slave，数据复制和同步的延迟都超过了10秒钟，那么这个时候，master就不会再接收任何请求了。
减小min-slaves-max-lag参数的值，这样就可以避免在发生故障时大量的数据丢失，一旦发现延迟超过了该值就不会往master中写入数据。
那么对于client，我们可以采取降级措施，将数据暂时写入本地缓存和磁盘中，在一段时间后重新写入master来保证数据不丢失；也可以将数据写入kafka消息队列，隔一段时间去消费kafka中的数据。
48. Redis哨兵是怎么工作的？
- 每个Sentinel以每秒钟一次的频率向它所知的Master，Slave以及其他 Sentinel 实例发送一个 PING 命令。
- 如果一个实例（instance）距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过 down-after-milliseconds 选项所指定的值， 则这个实例会被当前 Sentinel 标记为主观下线。
- 如果一个Master被标记为主观下线，则正在监视这个Master的所有 Sentinel 要以每秒一次的频率确认Master的确进入了主观下线状态。
- 当有足够数量的 Sentinel（大于等于配置文件指定的值）在指定的时间范围内确认Master的确进入了主观下线状态， 则Master会被标记为客观下线 。
- 当Master被 Sentinel 标记为客观下线时，Sentinel 向下线的 Master 的所有 Slave 发送 INFO 命令的频率会从 10 秒一次改为每秒一次 （在一般情况下， 每个 Sentinel 会以每 10 秒一次的频率向它已知的所有Master，Slave发送 INFO 命令 ）。
- 若没有足够数量的 Sentinel 同意 Master 已经下线， Master 的客观下线状态就会变成主观下线。若 Master 重新向 Sentinel 的 PING 命令返回有效回复， Master 的主观下线状态就会被移除。
- sentinel节点会与其他sentinel节点进行“沟通”，投票选举一个sentinel节点进行故障处理，在从节点中选取一个主节点，其他从节点挂载到新的主节点上自动复制新主节点的数据。
49. 故障转移时会从剩下的slave选举一个新的master，被选举为master的标准是什么？
如果一个master被认为odown了，而且majority哨兵都允许了主备切换，那么某个哨兵就会执行主备切换操作，此时首先要选举一个slave来，会考虑slave的一些信息。
- 跟master断开连接的时长。 如果一个slave跟master断开连接已经超过了down-after-milliseconds的10倍，外加master宕机的时长，那么slave就被认为不适合选举为master.
( down-after-milliseconds * 10) + milliseconds_since_master_is_in_SDOWN_state
- slave优先级。 按照slave优先级进行排序，slave priority越低，优先级就越高
- 复制offset。 如果slave priority相同，那么看replica offset，哪个slave复制了越多的数据，offset越靠后，优先级就越高
- run id 如果上面两个条件都相同，那么选择一个run id比较小的那个slave。
50. 同步配置的时候其他哨兵根据什么更新自己的配置呢？
执行切换的那个哨兵，会从要切换到的新master（salve->master）那里得到一个configuration epoch，这就是一个version号，每次切换的version号都必须是唯一的。
如果第一个选举出的哨兵切换失败了，那么其他哨兵，会等待failover-timeout时间，然后接替继续执行切换，此时会重新获取一个新的configuration epoch 作为新的version号。
这个version号就很重要了，因为各种消息都是通过一个channel去发布和监听的，所以一个哨兵完成一次新的切换之后，新的master配置是跟着新的version号的，其他的哨兵都是根据版本号的大小来更新自己的master配置的。