【Redis系列笔记】Redis集群

本文涉及的产品
云原生多模数据库 Lindorm,多引擎 多规格 0-4节点
云数据库 Redis 版,社区版 2GB
推荐场景:
搭建游戏排行榜
云数据库 MongoDB,通用型 2核4GB
简介: 集群是一种在多个计算机或服务器之间分配和管理任务的方式。它们被广泛应用于大型计算任务、数据处理、网络服务和高性能计算等领域。在Redis中,主要有以下三种集群,分别是主从集群,哨兵集群,分片集群。

1. 集群

集群是一种在多个计算机或服务器之间分配和管理任务的方式。它们被广泛应用于大型计算任务、数据处理、网络服务和高性能计算等领域。

1.1. 为什么需要集群?

  1. 性能扩展和负载均衡:集群可以将任务分配给多个计算机或服务器,提高整体性能和处理能力,并确保负载均衡,避免单点故障。
  2. 高可用性和容错性:通过冗余和备份机制,集群提供了系统级的可靠性和容错性,确保服务持续可用,即使某些节点发生故障。
  3. 资源共享和管理简化:集群允许多个任务共享资源,并提供统一的管理界面,简化了管理和维护工作,提高了资源利用效率。

1.2. 集群分类

集群按照架构分类:主从集群、负载均衡器集群、分布式计算集群、高可用集群、容器集群、大数据集群、分布式存储集群等等。

在Redis中,主要有以下三种集群,分别是主从集群,哨兵集群,分片集群

2. 主从集群

2.1. 概述

主从集群指的是多个Redis实例,以一台实例作为主节点master,其余的实例作为从节点slave,master和slave的数据完全一致,主从复制提高了Redis读请求的吞吐量。

master支持数据的读和写操作,而slave只支持读和数据同步,客户端将数据写入master后,由master自动的将数据写入到slave中。

2.2. 同步策略

在Redis中主从复制的同步策略有两种

全量同步:复制master所有数据到slave

增量同步:仅复制master与slave差异数据到slave

2.2.1. 全量同步

主从第一次建立连接时,会执行全量同步,将master节点的所有数据都拷贝给slave节点,流程:

这里有一个问题,master如何得知salve是第一次来连接呢??

有几个概念,可以作为判断依据:

  • Replication Id:简称replid,是数据集的标记,id一致则说明是同一数据集。每一个master都有唯一的replid,slave则会继承master节点的replid
  • offset:偏移量,随着记录在repl_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步时也会记录当前同步的offset。如果slave的offset小于master的offset,说明slave数据落后于master,需要更新。

因此slave做数据同步,必须向master声明自己的replication id 和offset,master才可以判断到底需要同步哪些数据。

因为slave原本也是一个master,有自己的replid和offset,当第一次变成slave,与master建立连接时,发送的replid和offset是自己的replid和offset。

master判断发现slave发送来的replid与自己的不一致,说明这是一个全新的slave,就知道要做全量同步了。

master会将自己的replid和offset都发送给这个slave,slave保存这些信息。以后slave的replid就与master一致了。

因此,master判断一个节点是否是第一次同步的依据,就是看replid是否一致

如图:

完整流程描述:

  • slave节点请求增量同步
  • master节点判断replid,发现不一致,拒绝增量同步
  • master将完整内存数据生成RDB,发送RDB到slave
  • slave清空本地数据,加载master的RDB
  • master将RDB期间的命令记录在repl_baklog,并持续将log中的命令发送给slave
  • slave执行接收到的命令,保持与master之间的同步

2.2.2. 增量同步

全量同步需要先做RDB,然后将RDB文件通过网络传输个slave,成本太高了。因此除了第一次做全量同步,其它大多数时候slave与master都是做增量同步

什么是增量同步?就是只更新slave与master存在差异的部分数据。如图:

那么master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?

2.2.3. repl_backlog原理

master怎么知道slave与自己的数据差异在哪里呢?

这就要说到全量同步时的repl_baklog文件了。

这个文件是一个固定大小的数组,只不过数组是环形,也就是说角标到达数组末尾后,会再次从0开始读写,这样数组头部的数据就会被覆盖。

repl_baklog中会记录Redis处理过的命令日志及offset,包括master当前的offset,和slave已经拷贝到的offset:

slave与master的offset之间的差异,就是salve需要增量拷贝的数据了。

随着不断有数据写入,master的offset逐渐变大,slave也不断的拷贝,追赶master的offset:

直到数组被填满:

此时,如果有新的数据写入,就会覆盖数组中的旧数据。不过,旧的数据只要是绿色的,说明是已经被同步到slave的数据,即便被覆盖了也没什么影响。因为未同步的仅仅是红色部分。

但是,如果slave出现网络阻塞,导致master的offset远远超过了slave的offset:

如果master继续写入新数据,其offset就会覆盖旧的数据,直到将slave现在的offset也覆盖:

棕色框中的红色部分,就是尚未同步,但是却已经被覆盖的数据。此时如果slave恢复,需要同步,却发现自己的offset都没有了,无法完成增量同步了。只能做全量同步。

注意

repl_baklog大小有上限,写满后会覆盖最早的数据。如果slave断开时间过久,导致尚未备份的数据被覆盖,则无法基于log做增量同步,只能再次全量同步。

2.3. 主从同步优化

主从同步可以保证主从数据的一致性,非常重要。

可以从以下几个方面来优化Redis主从就集群:

  • 在master中配置repl-diskless-sync yes启用无磁盘复制,避免全量同步时的磁盘IO。
  • Redis单节点上的内存占用不要太大,减少RDB导致的过多磁盘IO
  • 适当提高repl_baklog的大小,发现slave宕机时尽快实现故障恢复,尽可能避免全量同步
  • 限制一个master上的slave节点数量,如果实在是太多slave,则可以采用主-从-从链式结构,减少master压力

3. 哨兵集群

3.1. 概述

Redis提供了哨兵(Sentinel)机制来实现主从集群的自动故障恢复。

哨兵的作用如下:

  • 监控:Sentinel 会不断检查您的master和slave是否按预期工作
  • 自动故障恢复:如果master故障,Sentinel会将一个slave提升为master。当故障实例恢复后也以新的master为主
  • 通知:Sentinel充当Redis客户端的服务发现来源,当集群发生故障转移时,会将最新信息推送给Redis的客户端

3.2. 集群监控原理

Sentinel基于心跳机制监测服务状态,每隔1秒向集群的每个实例发送ping命令:

  • 主观下线:如果某sentinel节点发现某实例未在规定时间响应,则认为该实例主观下线。
  • 客观下线:若超过指定数量(quorum)的sentinel都认为该实例主观下线,则该实例客观下线。quorum值最好超过Sentinel实例数量的一半。

3.3. 集群故障恢复原理

一旦发现master故障,sentinel需要在salve中选择一个作为新的master,选择依据是这样的:

  • 首先会判断slave节点与master节点断开时间长短,如果超过指定值(down-after-milliseconds * 10)则会排除该slave节点
  • 然后判断slave节点的slave-priority值,越小优先级越高,如果是0则永不参与选举
  • 如果slave-prority一样,则判断slave节点的offset值,越大说明数据越新,优先级越高
  • 最后是判断slave节点的运行id大小,越小优先级越高。

当选出一个新的master后,该如何实现切换呢?

流程如下:

  • sentinel给备选的slave1节点发送slaveof no one命令,让该节点成为master
  • sentinel给所有其它slave发送slaveof 192.168.150.101 7002 命令,让这些slave成为新master的从节点,开始从新的master上同步数据。
  • 最后,sentinel将故障节点标记为slave,当故障节点恢复后会自动成为新的master的slave节点

3.4. 选举机制

模拟情况:一主二从三哨兵

当主节点宕机或者丢失连接后,多个哨兵会投票选举一个哨兵leader,由哨兵leader根据选举规则进行新主节点选举,并将从节点的主从关系重新绑定

10268:X 08 Apr 2024 20:45:19.952 # +sdown master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.015 # +odown master mymaster 192.168.200.130 7002 #quorum 2/2
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.015 # +new-epoch 2
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.015 # +try-failover master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.016 # +vote-for-leader eac70c30f840034a55984037aa33c4b3d959c92d 2
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.017 # feb9ce5ed63c23edf028d847105e64eeda054ee1 voted for eac70c30f840034a55984037aa33c4b3d959c92d 2
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.017 # 7e29a6eb9f62ec5bde3c89bd26543c54ac192442 voted for eac70c30f840034a55984037aa33c4b3d959c92d 2
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.074 # +elected-leader master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.074 # +failover-state-select-slave master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.141 # +selected-slave slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.141 * +failover-state-send-slaveof-noone slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:20.225 * +failover-state-wait-promotion slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:21.067 # +promoted-slave slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:21.067 # +failover-state-reconf-slaves master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:21.123 * +slave-reconf-sent slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.143 * +slave-reconf-inprog slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.143 * +slave-reconf-done slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.215 # -odown master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.215 # +failover-end master mymaster 192.168.200.130 7002
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.215 # +switch-master mymaster 192.168.200.130 7002 192.168.200.130 7001
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.215 * +slave slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7001
10268:X 08 Apr 2024 20:45:22.215 * +slave slave 192.168.200.130:7002 192.168.200.130 7002 @ mymaster 192.168.200.130 7001
10268:X 08 Apr 2024 20:45:27.305 # +sdown slave 192.168.200.130:7002 192.168.200.130 7002 @ mymaster 192.168.200.130 7001
+sdown master mymaster 192.168.200.130 7002:标记主节点(mymaster)的状态为下线(SDOWN)。
+odown master mymaster 192.168.200.130 7002 #quorum 2/2:标记主节点的状态为离线(ODOWN),并且指定了所需的投票数量/总投票数。
+new-epoch 2:宣布新的纪元,这是故障转移过程中的一步。
+try-failover master mymaster 192.168.200.130 7002:尝试进行故障转移。
+vote-for-leader eac70c30f840034a55984037aa33c4b3d959c92d 2:选举出新的领导节点,并且发出了投票。
+elected-leader master mymaster 192.168.200.130 7002:选举出新的领导节点。
+failover-state-select-slave master mymaster 192.168.200.130 7002:选择一个从节点作为新的主节点。
+selected-slave slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002:选择了一个从节点作为新的主节点,并标记为所选的从节点。
+failover-state-send-slaveof-noone slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002:通知所选的从节点不再复制任何主节点。
+failover-state-wait-promotion slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002:等待所选的从节点晋升为新的主节点。
+promoted-slave slave 192.168.200.130:7001 192.168.200.130 7001 @ mymaster 192.168.200.130 7002:成功将从节点晋升为新的主节点。
+failover-state-reconf-slaves master mymaster 192.168.200.130 7002:重新配置从节点以使其复制新的主节点。
+slave-reconf-sent slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7002:向从节点发送了重新配置命令。
+slave-reconf-inprog slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7002:正在进行从节点的重新配置。
+slave-reconf-done slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7002:从节点的重新配置完成。
-odown master mymaster 192.168.200.130 7002:解除主节点的离线状态。
+failover-end master mymaster 192.168.200.130 7002:故障转移结束。
+switch-master mymaster 192.168.200.130 7002 192.168.200.130 7001:将主节点切换为新的节点。
+slave slave 192.168.200.130:7003 192.168.200.130 7003 @ mymaster 192.168.200.130 7001:标记一个从节点以复制新的主节点。
+slave slave 192.168.200.130:7002 192.168.200.130 7002 @ mymaster 192.168.200.130 7001:标记另一个从节点以复制新的主节点。
+sdown slave 192.168.200.130:7002 192.168.200.130 7002 @ mymaster 192.168.200.130 7001:标记一个从节点的状态为下线。
这些日志条目描述了如何在主节点发生故障时,Redis Sentinel 实现了自动故障转移,并成功将一个从节点晋升为新的主节点。
epted a Partial Resynchronization.
69881:S 08 Apr 2024 20:45:14.834 # Connection with master lost.
69881:S 08 Apr 2024 20:45:14.834 * Caching the disconnected master state.
69881:S 08 Apr 2024 20:45:14.834 * Reconnecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:14.834 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:14.834 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:15.452 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:15.452 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:15.452 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:16.460 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:16.460 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:16.460 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:17.467 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:17.467 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:17.467 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:18.473 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:18.473 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:18.473 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:19.482 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:19.482 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:19.482 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:20.489 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7002
69881:S 08 Apr 2024 20:45:20.489 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:20.489 # Error condition on socket for SYNC: Connection refused
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.123 * Connecting to MASTER 192.168.200.130:7001
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.123 * MASTER <-> REPLICA sync started
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.123 * REPLICAOF 192.168.200.130:7001 enabled (user request from 'id=14 addr=192.168.200.130:34794 laddr=192.168.200.130:7003 fd=11 name=sentinel-eac70c30-cmd age=159 idle=0 flags=x db=0 sub=0 psub=0 multi=4 qbuf=348 qbuf-free=40606 argv-mem=4 obl=45 oll=0 omem=0 tot-mem=61468 events=r cmd=exec user=default redir=-1')
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 # CONFIG REWRITE executed with success.
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 * Non blocking connect for SYNC fired the event.
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 * Master replied to PING, replication can continue...
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 * Trying a partial resynchronization (request fbf2cc3f5417414fad8aa695845b1becf1290c96:94840).
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 * Successful partial resynchronization with master.
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 # Master replication ID changed to f0e6489cdde09dc693c976a55386c8f201be56b5
69881:S 08 Apr 2024 20:45:21.125 * MASTER <-> REPLICA sync: Master accepted a Partial Resynchronization.
^C69881:signal-handler (1712634680) Received SIGINT scheduling shutdown...
这是一个 Redis 服务器的日志片段。让我为您解释一下:
Connection with master lost.:主节点(Master)和从节点(Replica)之间的连接丢失。
Caching the disconnected master state.:Redis 缓存了断开连接的主节点的状态。
Reconnecting to MASTER 192.168.200.130:7002:尝试重新连接到指定地址的主节点。
MASTER <-> REPLICA sync started:主从同步开始。
Error condition on socket for SYNC: Connection refused:同步过程中出现连接被拒绝的错误。
Non blocking connect for SYNC fired the event.:同步过程中非阻塞连接触发了事件。
Master replied to PING, replication can continue...:主节点回复了 PING 请求,复制可以继续进行。
Trying a partial resynchronization (request ...):尝试进行部分重新同步。
Successful partial resynchronization with master.:成功进行了部分重新同步。
Master replication ID changed to ...:主节点的复制 ID 已更改。
MASTER <-> REPLICA sync: Master accepted a Partial Resynchronization.:主节点接受了部分重新同步。
在这个过程中,Redis 服务器尝试重新连接到主节点并进行同步,当连接丢失时,它进行了部分重新同步,最终成功完成了同步过程。

3.5. 总结

  1. Sentinel如何判断一个redis实例是否健康?
  • 每隔1秒发送一次ping命令,如果超过一定时间没有相向则认为是主观下线
  • 如果大多数sentinel都认为实例主观下线,则判定服务下线
  1. 故障转移步骤有哪些?
  • 首先选定一个slave作为新的master,执行slaveof no one
  • 然后让所有节点都执行slaveof 新master
  • 修改故障节点配置,添加slaveof 新master

4. 分片集群

4.1. 概述

主从和哨兵可以解决高可用、高并发读的问题。但是依然有两个问题没有解决:

  • 海量数据存储问题
  • 高并发写的问题

使用分片集群可以解决上述问题,如图:

分片集群特征:

  • 集群中有多个master,每个master保存不同数据
  • 每个master都可以有多个slave节点
  • master之间通过ping监测彼此健康状态
  • 客户端请求可以访问集群任意节点,最终都会被转发到正确节点

4.2. 散列插槽

4.2.1. 插槽原理

Redis会把每一个master节点映射到0~16383共16384个插槽(hash slot)上,查看集群信息时就能看到:

数据key不是与节点绑定,而是与插槽绑定。redis会根据key的有效部分计算插槽值,分两种情况:

  • key中包含"{}",且“{}”中至少包含1个字符,“{}”中的部分是有效部分
  • key中不包含“{}”,整个key都是有效部分

例如:key是num,那么就根据num计算,如果是{itcast}num,则根据itcast计算。计算方式是利用CRC16算法得到一个hash值,然后对16384取余,得到的结果就是slot值。

如图,在7001这个节点执行set a 1时,对a做hash运算,对16384取余,得到的结果是15495,因此要存储到103节点。

到了7003后,执行get num时,对num做hash运算,对16384取余,得到的结果是2765,因此需要切换到7001节点

4.2.2. 小结

  1. Redis如何判断某个key应该在哪个实例?
  • 将16384个插槽分配到不同的实例
  • 根据key的有效部分计算哈希值,对16384取余
  • 余数作为插槽,寻找插槽所在实例即可
  1. 如何将同一类数据固定的保存在同一个Redis实例?
  • 这一类数据使用相同的有效部分,例如key都以{typeId}为前缀

4.3. 集群伸缩

redis-cli --cluster提供了很多操作集群的命令,可以通过下面方式查看:

比如,添加节点的命令:

4.4. 故障转移

集群初识状态是这样的:

其中7001、7002、7003都是master,我们计划让7002宕机。

4.4.1. 自动故障转移

当集群中有一个master宕机会发生什么呢?

直接停止一个redis实例,例如7002:

redis-cli -p 7002 shutdown

1)首先是该实例与其它实例失去连接

2)然后是疑似宕机:

3)最后是确定下线,自动提升一个slave为新的master:

4)当7002再次启动,就会变为一个slave节点了:

4.4.2. 手动故障转移

利用cluster failover命令可以手动让集群中的某个master宕机,切换到执行cluster failover命令的这个slave节点,实现无感知的数据迁移。其流程如下:

这种failover命令可以指定三种模式:

  • 缺省:默认的流程,如图1~6歩
  • force:省略了对offset的一致性校验
  • takeover:直接执行第5歩,忽略数据一致性、忽略master状态和其它master的意见

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