高可用是通過設計，減少系統不能提供服務的時間，是分布式系統的基礎也是保障系統可靠性的重要手段。而 Redis 作為一款普及率最高的內存型中間件，它的高可用技術也非常的成熟。

我們今天分享的面試題是，Redis 是如何保證系統高可用的？它的實現方式有哪些？

Redis通過一系列策略和技術來保證其系統的高可用性。以下是Redis保證高可用的主要實現方式：

1. 持久化：

   • RDB (Redis DataBase)：在指定的時間間隔內將內存中的數據集快照寫入磁盤，它執行的是全量數據備份，恢復時是將快照文件直接讀到內存里。
   • AOF (Append Only File)：以日志的形式來記錄每個寫操作，將Redis執行過的所有寫指令記錄下來（讀操作不記錄），在Redis啟動之初會重新執行文件中記錄的寫指令來恢復數據。AOF日志是一個只進行追加的日志文件，因此寫入性能也非常高，而且文件不容易破損。

2. 主從復制（Master-Slave）：

   • 主從復制是Redis實現高可用的基礎，它的原理是將一臺Redis服務器的數據，復制到其他的Redis服務器。主節點（Master）處理寫請求，并將數據同步給從節點（Slave），從節點處理讀請求。當主節點故障時，可以通過選舉算法從從節點中選舉出新的主節點。

3. 哨兵（Sentinel）：

   • 哨兵是一個獨立的進程，用于監控主從集群的運行狀態。當主節點故障時，哨兵會執行自動故障轉移，將其中一個從節點提升為主節點，從而保證系統的高可用性。同時，哨兵還可以監控Redis的持久化情況，如果持久化出現故障，則通知管理員。

4. Redis集群（Cluster）：

   • Redis集群實現了Redis數據的分片，每個節點只保存一部分數據。集群通過哈希槽（Hash Slot）來分配數據，每個節點都負責一部分哈希槽。當節點故障時，集群會自動將數據重新分配到其他節點上，從而保證數據的高可用性。

5. 讀寫分離：

   • 在主從復制的基礎上，配合讀寫分離策略，可以進一步提高Redis的并發處理能力。通常主節點負責寫請求，而從節點負責讀請求。這樣可以減輕主節點的負載壓力，提高系統的整體性能。

6. 使用代理工具：

   • 如Twemproxy、Codis等代理工具可以實現Redis的負載均衡和故障轉移。這些工具將多個Redis實例組成一個集群，客戶端通過代理工具來訪問Redis集群，代理工具負責將請求分發到合適的Redis實例上。

典型回答

Redis 高可用的手段主要有以下四種：

• 數據持久化
• 主從數據同步（主從復制）
• Redis 哨兵模式（Sentinel）
• Redis 集群（Cluster）

其中數據持久化保證了系統在發生宕機或者重啟之后數據不會丟失，增加了系統的可靠性和減少了系統不可用的時間（省去了手動恢復數據的過程）；而主從數據同步可以將數據存儲至多臺服務器，這樣當遇到一臺服務器宕機之后，可以很快地切換至另一臺服務器以繼續提供服務；哨兵模式用于發生故障之后自動切換服務器；而 Redis 集群提供了多主多從的 Redis 分布式集群環境，用于提供性能更好的 Redis 服務，并且它自身擁有故障自動切換的能力。

考點分析

高可用的問題屬于 Redis 中比較大的面試題了，因為很多知識點都和這個面試題有關，同時也屬于比較難的面試題了。因為涉及了分布式集群，而分布式集群屬于 Redis 中比較難懂的一個知識點。和此問題相關的面試題還有以下幾個：

• 數據持久化有幾種方式？
• Redis 主從同步有幾種模式？
• 什么是 Redis 哨兵模式？它解決了什么問題？
• Redis 集群的優勢是什么？

知識擴展

1.數據持久化

持久化功能是 Redis 和 Memcached 的主要區別之一，因為只有 Redis 提供了此功能。

在 Redis 4.0 之前數據持久化方式有兩種：AOF 方式和 RDB 方式。

• RDB（Redis DataBase，快照方式）是將某一個時刻的內存數據，以二進制的方式寫入磁盤。
• AOF（Append Only File，文件追加方式）是指將所有的操作命令，以文本的形式追加到文件中。

RDB 默認的保存文件為 dump.rdb，優點是以二進制存儲的，因此占用的空間更小、數據存儲更緊湊，并且與 AOF 相比，RDB 具備更快的重啟恢復能力。

AOF 默認的保存文件為 appendonly.aof，它的優點是存儲頻率更高，因此丟失數據的風險就越低，并且 AOF 并不是以二進制存儲的，所以它的存儲信息更易懂。缺點是占用空間大，重啟之后的數據恢復速度比較慢。

可以看出 RDB 和 AOF 各有利弊，RDB 具備更快速的數據重啟恢復能力，并且占用更小的磁盤空間，但有數據丟失的風險；而 AOF 文件的可讀性更高，但卻占用了更大的空間，且重啟之后的恢復速度更慢，于是在 Redis 4.0 就推出了混合持久化的功能。

混合持久化的功能指的是 Redis 可以使用 RDB + AOF 兩種格式來進行數據持久化，這樣就可以做到揚長避短物盡其用了，混合持久化的存儲示意圖如下圖所示：

我們可以使用“config get aof-use-rdb-preamble”的命令來查詢 Redis 混合持久化的功能是否開啟，執行示例如下：

127.0.0.1:6379> config get aof-use-rdb-preamble
1) "aof-use-rdb-preamble"
2) "yes"

如果執行結果為“no”則表示混合持久化功能關閉，不過我們可以使用“config set aof-use-rdb-preamble yes”的命令打開此功能。
Redis 混合持久化的存儲模式是，開始的數據以 RDB 的格式進行存儲，因此只會占用少量的空間，并且之后的命令會以 AOF 的方式進行數據追加，這樣就可以減低數據丟失的風險，同時可以提高數據恢復的速度。

2.Redis 主從同步

主從同步是 Redis 多機運行中最基礎的功能，它是把多個 Redis 節點組成一個 Redis 集群，在這個集群當中有一個主節點用來進行數據的操作，其他從節點用于同步主節點的內容，并且提供給客戶端進行數據查詢。

Redis 主從同步分為：主從模式和從從模式。主從模式就是一個主節點和多個一級從節點，如下圖所示：

而從從模式是指一級從節點下面還可以擁有更多的從節點，如下圖所示：

主從模式可以提高 Redis 的整體運行速度，因為使用主從模式就可以實現數據的讀寫分離，把寫操作的請求分發到主節點上，把其他的讀操作請求分發到從節點上，這樣就減輕了 Redis 主節點的運行壓力，并且提高了 Redis 的整體運行速度。

不但如此使用主從模式還實現了 Redis 的高可用，當主服務器宕機之后，可以很迅速的把從節點提升為主節點，為 Redis 服務器的宕機恢復節省了寶貴的時間。

并且主從復制還降低了數據丟失的風險，因為數據是完整拷貝在多臺服務器上的，當一個服務器磁盤壞掉之后，可以從其他服務器拿到完整的備份數據。

3.Redis 哨兵模式

Redis 主從復制模式有那么多的優點，但是有一個致命的缺點，就是當 Redis 的主節點宕機之后，必須人工介入手動恢復，那么到特殊時間段，比如公司組織全體團建或者半夜突然發生主節點宕機的問題，此時如果等待人工去處理就會很慢，這個時間是我們不允許的，并且我們還需要招聘專職的人來負責數據恢復的事，同時招聘的人還需要懂得相關的技術才能勝任這份工作。既然如此的麻煩，那有沒有簡單一點的解決方案，這個時候我們就需要用到 Redis 的哨兵模式了。

Redis 哨兵模式就是用來監視 Redis 主從服務器的，當 Redis 的主從服務器發生故障之后，Redis 哨兵提供了自動容災修復的功能，如下圖所示：

Redis 哨兵模塊存儲在 Redis 的 src/redis-sentinel 目錄下，如下圖所示：

我們可以使用命令“./src/redis-sentinel sentinel.conf”來啟動哨兵功能。

有了哨兵功能之后，就再也不怕 Redis 主從服務器宕機了。哨兵的工作原理是每個哨兵會以每秒鐘 1 次的頻率，向已知的主服務器和從服務器，發送一個 PING 命令。如果最后一次有效回復 PING 命令的時間，超過了配置的最大下線時間（Down-After-Milliseconds）時，默認是 30s，那么這個實例會被哨兵標記為主觀下線。

如果一個主服務器被標記為主觀下線，那么正在監視這個主服務器的所有哨兵節點，要以每秒 1 次的頻率確認主服務器是否進入了主觀下線的狀態。如果有足夠數量（quorum 配置值）的哨兵證實該主服務器為主觀下線，那么這個主服務器被標記為客觀下線。此時所有的哨兵會按照規則（協商）自動選出新的主節點服務器，并自動完成主服務器的自動切換功能，而整個過程都是無須人工干預的。

4.Redis 集群

Redis 集群也就是 Redis Cluster，它是 Redis 3.0 版本推出的 Redis 集群方案，將數據分布在不同的主服務器上，以此來降低系統對單主節點的依賴，并且可以大大提高 Redis 服務的讀寫性能。Redis 集群除了擁有主從模式 + 哨兵模式的所有功能之外，還提供了多個主從節點的集群功能，實現了真正意義上的分布式集群服務，如下圖所示：

Redis 集群可以實現數據分片服務，也就是說在 Redis 集群中有 16384 個槽位用來存儲所有的數據，當我們有 N 個主節點時，可以把 16384 個槽位平均分配到 N 臺主服務器上。當有鍵值存儲時，Redis 會使用 crc16 算法進行 hash 得到一個整數值，然后用這個整數值對 16384 進行取模來得到具體槽位，再把此鍵值存儲在對應的服務器上，讀取操作也是同樣的道理，這樣我們就實現了數據分片的功能。

小結

今天我們分享了保障 Redis 高可用的 4 種手段：數據持久化保證了數據不丟失；Redis 主從讓 Redis 從單機變成了多機。它有兩種模式：主從模式和從從模式，但當主節點出現問題時，需要人工手動恢復系統；Redis 哨兵模式用來監控 Redis 主從模式，并提供了自動容災恢復的功能。最后是 Redis 集群，除了可以提供主從和哨兵的功能之外，還提供了多個主從節點的集群功能，這樣就可以把數據均勻的存儲各個主機主節點上，實現了系統的橫向擴展，大大提高了 Redis 的并發處理能力。

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