0x02.Redis 集群的实现原理是什么？

回答重点

Redis 集群（Redis cluster）是通过多个 Redis 实例组成的，每个主节点实例负责存储部分的数据，并且可以有一个或多个从节点作为备份。

具体是采用哈希槽（Hash Slot）机制来分配数据，将整个键空间划分为 16384 个槽（slots）。每个 Redis 主节点实例负责一定范围的哈希槽，数据的 key 经过 CRC16-CCITT 哈希算法计算后对 16384 取余即可定位到对应的节点。

客户端在发送请求时，会通过集群的任意节点进行连接，如果该节点存储了对应的数据则直接返回，反之该节点会根据请求的键值计算哈希槽并路由到正确的节点。现代 Redis 客户端通常会缓存槽位映射信息，避免频繁重定向。

简单来说，集群就是通过多台机器分担单台机器上的压力，同时通过主从复制提供高可用性。

扩展知识

Redis 集群中节点之间的信息如何同步？

Redis 集群内每个节点都会保存集群的完整拓扑信息，包括每个节点的 ID、IP 地址、端口、负责的哈希槽范围等。

节点之间使用 Gossip 协议进行状态交换，以保持集群的一致性和故障检测。每个节点会周期性地发送 PING 和 PONG 消息，交换集群信息，使得集群信息得以同步。

Gossip 的优点：

• 最终一致性：Gossip 协议能够在一段时间后使集群信息达成一致，虽然传播速度不如中心化方案快，但网络开销更小。
• 降低网络负担：由于信息是以随机节点间的对话方式传播，避免了集中式的状态查询，从而降低了网络流量。

Gossip 协议

Gossip 主要特点：

1. 分布式信息传播：每个节点定期向其他节点发送其状态信息，确保所有节点对集群的状态有一致的视图。
2. 低延迟和高效率：Gossip 协议设计为轻量级的通信方式，能够快速传播信息，减少单点故障带来的风险。
3. 去中心化：没有中心节点，所有节点平等地参与信息传播，提高了系统的鲁棒性。

工作原理：

1. 状态报告：每个节点在特定的时间间隔内，向随机选择的其他节点发送其自身的状态信息，包括节点的主从关系、槽位分布等。
2. 信息更新：接收到状态信息的节点会根据所接收到的数据更新自己的状态，并将更新后的状态继续传播给其他节点。
3. 节点检测：通过周期性交换状态信息，节点可以检测到其他节点的存活状态。如果某个节点未能在预定时间内响应，则该节点会被标记为故障节点。
4. 容错处理：在检测到节点故障后，集群中的其他节点可以采取措施（如重新分配槽位）以保持系统的高可用性。

Redis 集群分片原理图示

Redis 集群会将数据分散到 16384（2^14）个哈希槽中，集群中的每个主节点负责一定范围的哈希槽，在 Redis 集群中，使用 CRC16-CCITT 哈希算法计算键的哈希槽，以确定该键应存储在哪个节点。

集群哈希槽分片如下图所示：

每个节点会拥有一部分的槽位，然后对应的键值会根据其本身的 key，映射到一个哈希槽中，其主要流程如下：

• 根据键值的 key，按照 CRC16-CCITT 算法计算一个 16 bit 的值，然后将 16 bit 的值对 16384 进行取余运算，最后得到一个对应的哈希槽编号。
• 值得注意的是，Redis 支持哈希标签(Hash Tags)机制，即如果键名中包含 “{…}” 格式的内容，那么只有花括号内的内容会被用来计算哈希槽，这样可以确保相关联的键被分配到同一个槽中。
• 根据每个节点分配的哈希槽区间，对应编号的数据落在对应的区间上，就能找到对应的分片实例。

为了方便大家理解，我这里画一个对应的关系图，以三个节点为例：

Redis 哈希槽映射图

这里还有一点需要强调下，Redis 客户端可以访问集群中任意一台实例，正常情况下这个实例包含这个数据
但如果槽被转移了，客户端还未来得及更新槽的信息，当前实例没有这个数据，则返回 MOVED 响应给客户端，将其重定向到对应的实例（因 Gossip 协议确保集群内每个节点都会保存集群的完整拓扑信息）。

Redis 集群中存储 key 示例

假设我们有一个 Redis 集群，包含三个主节点（Node1、Node2、Node3），它们分别负责以下哈希槽：

• Node1: 哈希槽 0-5460
• Node2: 哈希槽 5461-10922
• Node3: 哈希槽 10923-16383

现在要存储一个键为 user:1001 的数据。

计算哈希槽

1. 使用 CRC16-CCITT 哈希算法计算 user:1001 的 CRC16 值。
2. 假设计算结果为 12345。
3. 然后，计算该值对应的哈希槽：
   • 哈希槽 = 12345 % 16384 = 12345。

确定目标节点

• 12345 落在 Node3 的负责范围（10923-16383），因此，user:1001 会被存储在 Node3 中。

Redis 集群中请求 key 示例（客户端直接连接的并不是对应 key 的节点）

如果客户端连接的是集群的 Node1，但需要访问存储在 Node3 的键 user:1001，查询过程如下：

查询过程

1）计算哈希槽：

• 客户端使用 CRC16-CCITT 算法计算 user:1001 的哈希值（假设为 12345）。
• 计算哈希槽：12345 % 16384 = 12345。

2）查询请求：

• 因为客户端连接的是集群中的 Node1，所以客户端发送查询命令 GET user:1001 到 Node1。

3）Node1 响应：

• Node1 检测到请求的键 user:1001 属于 Node3，返回一个 MOVED 错误，指示客户端请求的键在另一个节点上。MOVED 错误中会返回目标节点的信息（例如，Node3 的 IP 和端口）。

4）客户端处理：

• 现代 Redis 客户端会缓存此槽位映射信息，后续对该槽的请求会直接发送到正确的节点，避免重定向。
• 第一次收到 MOVED 错误时，客户端会连接到目标节点并更新槽位映射缓存。

5）发送查询请求到正确节点：

• 客户端向 Node3 发送 GET user:1001。

6）获取结果：

• Node3 查询到 user:1001 的值（假设为 {"name": "stormsha", "age": 16}），并返回结果。

为什么 Redis 哈希槽节点的数目是 16384 呢？

1）首先是消息大小的考虑。

正常的心跳包需要带上节点完整配置数据，心跳还是比较频繁的，所以需要考虑数据包的大小，如果使用 16384 数据包只要约 2KB，如果用了 65536 则需要约 8KB。

实际上槽位信息使用一个长度为 16384 位的位图(bitmap)来表示，节点拥有哪个槽位，就将对应位置的位设置为 1，否则为 0。

Redis 心跳消息（CLUSTERMSG）数据结构如下所示：

typedef struct {
    char sig[4];              /* 信息标识 */
    uint32_t totlen;          /* 消息总长度 */
    uint16_t ver;             /* 协议版本 */
    uint16_t type;            /* 消息类型, 用于区分meet,ping,pong等消息 */
    uint16_t count;           /* 消息体包含的节点数量, 仅用于meet,ping,pong消息类型*/
    uint64_t currentEpoch;    /* 当前发送节点的配置纪元 */
    uint64_t configEpoch;     /* 主节点/从节点的主的配置纪元 */
    char sender[CLUSTER_NAMELEN]; /* 发送节点的nodeId */
    unsigned char myslots[CLUSTER_SLOTS/8]; /* 发送节点负责的槽信息 */
    char slaveOf[CLUSTER_NAMELEN]; /* 如果是从节点，记录主节点的nodeId */
    uint16_t port;            /* 端口号 */
    uint16_t flags;           /* 发送节点标识，区分主从角色，是否下线等 */
    unsigned char state;      /* 发送节点的集群状态 */
    unsigned char mflags[3];  /* 消息标识 */
    union clusterMsgData data /* 消息正文 */;
} clusterMsg;

这里我们看到一个重点，即在消息头中最占空间的是 myslots[CLUSTER_SLOTS/8]：

• 当槽位为 65536 时，这部分大小: 65536÷8=8192 字节 ≈8KB
• 当槽位为 16384 时，这部分大小: 16384÷8=2048 字节 ≈2KB

如果槽位为 65536，这个心跳消息的头部就太大了，在高频率通信的集群环境中会显著增加网络负担。

2）集群规模的考虑。

根据 Redis 作者的说明，集群不太可能会扩展超过 1000 个节点，而每个主节点应该管理相当数量的哈希槽。如果使用 16384 个槽位：

• 100 个节点集群：平均每个节点管理约 164 个槽位
• 1000 个节点集群：平均每个节点管理约 16 个槽位

这个数量既能满足大多数集群规模需求，又不会因为槽位过少而影响数据分布均衡性。

3）内存占用的平衡

Redis 作为内存数据库，对内存使用的效率非常关注。16384 个槽位的设计在集群功能和资源消耗之间取得了很好的平衡：足够多的槽位保证良好的数据分布，同时槽位映射的内存占用和网络传输开销都保持在合理范围内。

好的，以下是测试题目与解析部分分开的版本：

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✅ Redis 集群选择题（共 4 题）

1. Redis 集群采用什么机制来分配数据到不同的节点？ ( )

A. 哈希槽机制
B. 主备机制
C. 哈希链机制
D. 分段机制

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2. Redis 集群中有多少个哈希槽？ ( )

A. 2048
B. 8192
C. 16384
D. 32768

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3. Redis 集群中的节点之间使用什么协议进行状态同步和故障检测？ ( )

A. TCP/IP 协议
B. HTTP 协议
C. UDP 协议
D. Gossip 协议

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4. 在 Redis 集群中，当客户端请求的键值对不在连接的节点上时，返回的错误类型是什么？ ( )

A. ERROR
B. MOVED
C. NOT_FOUND
D. FORBIDDEN

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📘 答案与解析

1. 正确答案：A
解析：Redis 集群通过哈希槽机制进行数据分配，避免单点瓶颈，将键映射到 16384 个槽中，再分配到不同节点。

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2. 正确答案：C
解析：Redis 集群采用固定的 16384 个哈希槽，这个值是 2¹⁴，设计用于在带宽与灵活性之间做出平衡。

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3. 正确答案：D
解析：Redis 集群使用 Gossip 协议实现去中心化状态同步和故障检测，各节点定期交换信息。

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4. 正确答案：B
解析：当客户端请求的 key 不在当前节点时，Redis 返回 MOVED 重定向错误，引导客户端访问正确节点。

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