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在前面的文章中，我们聊了 Redis 的持久化、锁机制以及热 Key 问题。今天，我们跳出具体的命令细节，从宏观架构的角度来看看 Redis 是如何一步步“做大做强”的。

在生产环境中，我们几乎不会只部署一台 Redis。为什么？因为单机 Redis (Single Node)存在三个无法回避的致命伤：

1. 单点故障 (SPOF)：万一机器宕机，全村吃饭。

2. 容量瓶颈：一台机器的内存终究有限，存不下海量数据。

3. 性能瓶颈：QPS 再高也受限于单机的 CPU 和网卡带宽。

为了解决这些问题，Redis 的架构经历了从主从复制到哨兵模式，再到分片集群的进化之路。

前置知识：什么是高可用？

简单来说，redis单节点存在比如性能瓶颈、宕机风险等问题，可用性低，那高可用就是解决这个单节点低可用的问题。

一、 第一阶段：主从复制 (Master-Slave) —— 解决“备份与分流”

为了防止“单点故障”，最直接的思路就是：找个替补。

这就是主从架构的初衷。我们部署多台 Redis，一台做主节点 (Master)，几台做从节点 (Slave)。

1. 核心架构

• Master：唯一的“写”入口。负责接收写请求，并将数据异步同步给 Slave。

• Slave：只读副本。负责接收读请求，并被动同步 Master 的数据。

2. 为什么要读写分离？

这源于一个业务常识：在绝大多数互联网场景中，读操作远远多于写操作（比如微博，看的人多，发的人少）。

• 如果不分离，所有压力都在 Master 身上。

• 分离后，Master 专注处理那 10% 的写请求，N 个 Slave 分担那 90% 的读请求。这样既提高了并发量，又避免了写操作（如持久化）阻塞读请求。

3. 依然存在的问题

主从架构解决了**“数据备份”和“读性能”**问题，但它有一个致命的缺陷：不够智能。

如果 Master 突然宕机，Slave 不会自动变成 Master。运维人员必须半夜爬起来，手动修改配置把 Slave 提拔上来。在人工介入的这段时间，服务是不可写的。

二、 第二阶段：哨兵模式 (Sentinel) —— 解决“自动故障恢复”

为了解决主从架构“人工恢复慢”的问题，Redis 引入了 哨兵 (Sentinel) 机制。

你可以把哨兵理解为一群**“自动化的运维巡逻队”**。它们不存数据，只干三件事：监控、选主、通知。

1. 哨兵的三大职责

• 监控 (Monitoring)：哨兵集群通过心跳机制（Ping），每秒检查 Master 和 Slave 是否活得好好的。

  • 主观下线：一个哨兵觉得 Master 没回消息。

  • 客观下线：超过半数（Quorum）哨兵都觉得 Master 没回消息，那才是真挂了。

• 自动故障恢复 (Failover)：当 Master 挂了，哨兵会自动从剩下的 Slave 中选出一个新的 Master。

• 通知 (Notification)：哨兵充当了服务发现的角色。客户端连接的是哨兵，当 Master 换人了，哨兵会把新地址推给客户端。

2. 新 Master 是怎么选出来的？

当 Master 倒下，哨兵会按照以下规则依次筛选 Slave：

1. 排除法：先把那些断开连接很久、不健康的 Slave 踢出局。

2. 拼优先级：看slave-priority配置，数字越小优先级越高（0 表示永不当选）。

3. 拼进度 (Offset)：谁的数据最全（Offset 最大），谁就当选。这意味着它和旧 Master 的数据差异最小。

4. 拼人品 (RunID)：如果以上都一样，就按运行 ID 排序，选 ID 小的。

3. 依然存在的问题

哨兵模式实现了高可用 (High Availability)，但它依然是**“主从模式”**的变种。

• 写瓶颈：依然只有一个 Master 负责写，无法应对高并发写请求。

• 容量瓶颈：所有节点存的数据都是一样的，无法突破单机内存上限（比如你只有 64G 内存，就存不下 100G 数据）。 解释：（比如：我有 3 台机器，每台 64G，加在一起我就能存 $64 \times 3 = 192G$ 的数据。但在 Redis 主从/哨兵架构下，这是错的！你依然只能存 64G。Master 有什么，Slave 就必须有一份一模一样的。）

三、 第三阶段：分片集群 (Cluster) —— 解决“海量数据与高并发写”

为了解决“存不下”和“写不过来”的问题，Redis 3.0 推出了 Redis Cluster。

这是真正的分布式去中心化方案，实现了多主多从。

1. 核心原理：散列插槽 (Hash Slots)（见下文解释）

Redis Cluster 没有把数据直接绑定到节点上，而是引入了一个概念：插槽 (Slot)。

• 整个集群被逻辑切分为16384个插槽。

• 数据绑定插槽：当存一个 Key 时，Cluster 会根据CRC16(key) % 16384计算出这个 Key 属于哪个插槽。

• 插槽绑定节点：这 16384 个插槽被均匀分配给集群中的多个 Master 节点。

2. 为什么要这么设计？

• 解耦：数据跟节点没关系，只跟插槽有关系。

• 易扩容：如果你想增加一个 Master 节点，只需要从其他节点挪一些“插槽”给新节点即可。数据迁移时，通过插槽搬运非常方便，不需要全量重新哈希。

3. Cluster 的能力

• 多主写入：集群中有多个 Master，每个 Master 负责一部分插槽。这意味着写请求被分散了，性能线性提升。

• 高可用：每个 Master 都有自己的 Slave。如果某个 Master 挂了，它的 Slave 会自动顶上（集群内部实现了类似哨兵的选举机制）。

• 智能路由：客户端请求任意一个节点，如果数据不在该节点，它会返回重定向错误，告诉客户端去哪个节点找。

附：对于插槽——全量哈希的优化以及解耦思想的理解：

1. 如果没有插槽：直接哈希 (The Old Way)

假设你是一个物流主管，你有 3 辆车 (Node A, B, C)，你要运送 10 万个包裹 (Keys)。

最笨的办法（直接绑定节点）：

规则：拿到包裹，看一下单号，除以 3 取余数。

• 余数 0 -> 扔进 A 车。

• 余数 1 -> 扔进 B 车。

• 余数 2 -> 扔进 C 车。

灾难发生了：扩容

生意太好，你买了一辆新车 D 车（节点增加到 4 个）。 规则变了：现在要除以 4 取余数。

后果：

• 原来的包裹单号是 3，3 % 3 = 0 (在 A 车)。

• 现在的包裹单号是 3，3 % 4 = 3 (得去 D 车)。

你会发现，几乎所有的包裹都需要从原来的车里翻出来，重新分配到新车去。 这就叫“全量重新哈希”。在数据迁移期间，你的物流系统基本瘫痪了。

2. 有了插槽：引入“中间层” (The Slot Way)

Redis Cluster 说：“别把包裹直接扔车里！先把包裹装进统一的箱子里！” 这 16384 个插槽，就是 16384 个固定的塑料收纳箱。

步骤一：包裹进箱子（这一步永远不变）

不管你有几辆车，我的规则是铁打不动的： 包裹 (Key) -> 经过 CRC16 算法 -> 算出它属于 第 500 号箱子 (Slot 500)。

重点：这个包裹永远属于第 500 号箱子，天塌下来它也在这个箱子里。

步骤二：箱子上车（这一步灵活多变）

现在你有 3 辆车 (Node A, B, C)。 你只需要分配箱子就行了：

• A 车：负责运送 0 ~ 5000 号箱子。

• B 车：负责运送 5001 ~ 10000 号箱子。

• C 车：负责运送 10001 ~ 16383 号箱子。

3. 为什么这样扩容就容易了？

现在，生意好了，你又买了一辆新车 D 车。 这就是插槽的魔力时刻：

不需要动包裹：你不需要去把每一个包裹拿出来重新算。包裹依然在它原来的箱子里。

只需要挪箱子： 你对 A 车说：“把你那里的 0~1000 号箱子搬给 D 车。” 你对 B 车说：“把你那里的 5001~6000 号箱子搬给 D 车。” 你对 C 车说：“把你那里的 10001~11000 号箱子搬给 D 车。”

结果：

• A、B、C 车腾出了一点空间。

• D 车也有活干了。

整个过程只是搬运了几个箱子，而不是把几十万个散落的包裹重新分拣。

4. 总结：如何理解“解耦”？

插槽就是一个**“中间商”**。

• 没有插槽时：数据 <-> 节点（直接强绑定，节点变了，数据位置全乱）。

• 有插槽时：

  1. 数据 <-> 插槽（强绑定，由于插槽数量 16384 是固定的，所以这个关系永远不变）。

  2. 插槽 <-> 节点（弱绑定，可以随时把插槽从这个节点挪到那个节点）。

一句话总结：插槽就像是搬家时的**“打包箱”**。 如果没有打包箱，搬家时你要一双袜子、一本书地搬（数据迁移极慢）。 有了打包箱，你只需要把箱子搬上车，至于哪个箱子在哪个车上，随时可以调整。这就是 Redis Cluster 灵活扩容的秘密。

四、 总结与选型

我们将这三个架构做一个最终对比：

一句话总结：

• 如果你的 Redis 只是为了做缓存且数据量不大，主从就够了。

• 如果你不能忍受机器挂了要半夜起来修，那就上哨兵。

• 如果你有100G 以上的数据或者每秒 10 万次的写请求，请毫不犹豫地使用Redis Cluster。

最后说一下我自己对于扩容的理解：

我觉得容量问题的解决可以从两个维度去理解，第一个是多主多从这多主之间并不是和主从一样是复制备份的关系，另外引入插槽的概念它优化了扩容带来的全量哈希的危害。所以集群架构解决了容量问题。