Redis 切片集群中含有大量的实例对象，可以用于保存大量的数据，其中 Redis 官方在提出了 Redis Cluster 集群机制之前，被广泛的应用的是 Codis 集群机制。

一、Codis 的整体架构和基本流程

Codis 集群中包含了 4 类关键组件

• codis server：这是进行了二次开发的 Redis 实例，其中增加了额外的数据结构，支持数据迁移操作，主要负责处理具体的数据读写请求。
• codis proxy：接收客户端请求，并把请求转发给 codis server。
• Zookeeper 集群：保存集群元数据，例如包括路由表、proxy 实例信息等信息。（除了使用 Zookeeper，Codis 还可以使用 etcd（用于分布式多个节点共享数据的共享存储组件） 或本地文件系统保存元数据信息）
• codis dashboard 和 codis fe：共同组成了集群管理工具。其中，codis dashboard 负责执行集群管理工作，包括增删 codis server、codis proxy 和进行数据迁移。而 codisfe 负责提供 dashboard 的 Web 操作界面，便于我们直接在 Web 界面上进行集群管理。
  

二、Codis 处理请求的过程？

• 首先，为了让集群能接收并处理请求，我们要先使用 codis dashboard 设置 codis server和 codis proxy 的访问地址，完成设置后，codis server 和 codis proxy 才会开始接收连接。
• 然后，当客户端要读写数据时，客户端直接和 codis proxy 建立连接。你可能会担心，既然客户端连接的是 proxy，是不是需要修改客户端，才能访问 proxy？其实，你不用担心，codis proxy 本身支持 Redis 的 RESP 交互协议（基于 TCP 应用层协议的 Redis 序列化协议，同样也是基于 TCP 的一个 Request / Response 协议，虽然是 Redis 中的协议，但是同样也可以应用到 C/S 结构的应用中），所以，客户端访问 codis proxy时，和访问原生的 Redis 实例没有什么区别，这样一来，原本连接单实例的客户端就可以轻松地和 Codis 集群建立起连接了。
• 最后，codis proxy 接收到请求，就会查询请求数据和 codis server 的映射关系，并把请求转发给相应的 codis server 进行处理。当 codis server 处理完请求后，会把结果返回给codis proxy，proxy 再把数据返回给客户端。

三、Codis 的关键技术原理

影响到 Redis 切片集群的四个主要方面的因素：数据的分布，集群扩容和数据迁移，客户端的兼容性，数据可靠性保证。

（1）Codis 数据如何在集群里分布？

在 Codis 集群中，一个数据应该保存在哪个 codis server 上，这是通过逻辑槽（Slot）映射来完成的，具体来说，总共分成两步。

• 第一步，Codis 集群一共有 1024 个 Slot，编号依次是 0 到 1023。我们可以把这些 Slot手动分配给 codis server，每个 server 上包含一部分 Slot。当然，我们也可以让 codisdashboard 进行自动分配，例如，dashboard 把 1024 个 Slot 在所有 server 上均分。
• 第二步，当客户端要读写数据时，会使用 CRC32 算法计算数据 key 的哈希值，并把这个哈希值对 1024 取模。而取模后的值，则对应 Slot 的编号。此时，根据第一步分配的 Slot和 server 对应关系，我们就可以知道数据保存在哪个 server 上了。

（2）Codis key 和 slot 映射关系的存储

• 数据 key 和 Slot 的映射关系是客户端在读写数据前直接通过 CRC32 计算得到的，而 Slot和 codis server 的映射关系是通过分配完成的，所以就需要用一个存储系统保存下来，否则，如果集群有故障了，映射关系就会丢失。
• 我们把 Slot 和 codis server 的映射关系称为数据路由表（简称路由表）。我们在 codisdashboard 上分配好路由表后，dashboard 会把路由表发送给 codis proxy，同时，dashboard 也会把路由表保存在 Zookeeper 中。codis-proxy 会把路由表缓存在本地，当它接收到客户端请求后，直接查询本地的路由表，就可以完成正确的请求转发了。
  

（3）Codis 和 Redis Cluster 集群中保数据分布及其传递方式的异同

在数据分布的实现方法上，Codis 和 Redis Cluster 很相似，都采用了 key 映射到 Slot、Slot 再分配到实例上的机制。但是他们保存的 key 和 slot 映射关系表的位置及其传递的方式并不相同。

• Codis 中的路由表是我们通过 codis dashboard 分配和修改的，并被保存在 Zookeeper集群中。一旦数据位置发生变化（例如有实例增减），路由表被修改了，codis dashbaord 就会把修改后的路由表发送给 codis proxy，proxy 就可以根据最新的路由信息转发请求了。
  在 Redis Cluster 中，数据路由表是通过每个实例相互间的通信传递的，最后会在每个实例上保存一份。当数据路由信息发生变化时，就需要在所有实例间通过网络通信进行传递。所以，如果实例数量较多的话，就会消耗较多的集群网络资源。

（4）Codis 集群扩容和数据迁移如何进行?

1. codis server 扩容

• 扩容的步骤
  • 1、启动新的 codis server，将它加入集群；
  • 2、把部分数据迁移到新的 server。
• 扩容导致的数据迁移的步骤
  • 1、在源 server 上，Codis 从要迁移的 Slot 中随机选择一个数据，发送给目的 server。目的 server 确认收到数据后，会给源 server 返回确认消息。这时，源 server 会在本地将刚才迁移的数据删除。
  • 2、第一步和第二步就是单个数据的迁移过程。Codis 会不断重复这个迁移过程，直到要迁移的 Slot 中的数据全部迁移完成。
• Codis 扩容机制中两种数据迁移的方式（同步迁移 / 异步迁移）
  • 1、同步迁移是指在数据从源 server 发送给目的 server 的过程中，源 server 是阻塞的，无法处理新的请求操作。这种模式很容易实现，但是迁移过程中会涉及多个操作（包括数据在源 server 序列化、网络传输、在目的 server 反序列化，以及在源 server 删除），如果迁移的数据是一个 bigkey，源 server 就会阻塞较长时间，无法及时处理用户请求。
  • 2、异步迁移，可以避免长时间的阻塞源 Codis server，同时还具备两个特点。
    • 第一个特点是：当源 server 把数据进行序列化之后发送给目的 server 即可处理其他请求操作了，不会被阻塞，不用等到目的 server 的命令执行完。而目的 server 会在收到数据并反序列化保存到本地后，给源 server 发送一个 ACK 消息，表明迁移完成。此时，源 server 在本地把刚才迁移的数据删除。在这个过程中，迁移的数据会被设置为只读，否则源 server 上的数据如果被修改，自然也就不会出现“和目的 server 上的数据不一致”问题了。
    • 第二个特点是：对于 bigkey，异步迁移采用了拆分指令的方式进行迁移。具体来说就是，对 bigkey 中每个元素，用一条指令进行迁移，而不是把整个 bigkey 进行序列化后再整体传输。这种化整为零的方式，就避免了 bigkey 迁移时，因为要序列化大量数据而阻塞源 server 的问题。
• Codis 扩容机制中的异步数据迁移的方式中的风险，及其优化方式
  • 当 bigkey 迁移了一部分数据后，如果 Codis 发生故障，就会导致 bigkey 的一部分元素在源 server，而另一部分元素在目的 server，这就破坏了迁移的原子性。所以，Codis 会在目标 server 上，给 bigkey 的元素设置一个临时过期时间。如果迁移过程中发生故障，那么，目标 server 上的 key 会在过期后被删除，不会影响迁移的原子性。当正常完成迁移后，bigkey 元素的临时过期时间会被删除。
  • 同时为了提升迁移的效率，Codis 在异步迁移 Slot 时，允许每次迁移多个 key。你可以通过异步迁移命令 SLOTSMGRTTAGSLOT-ASYNC 的参数 numkeys 设置每次迁移的 key 数量。

2. codis proxy 扩容

• 因为在 Codis 集群中，客户端是和 codis proxy 直接连接的，所以，当客户端增加时，一个 proxy 无法支撑大量的请求操作，此时，我们就需要增加 proxy。增加 proxy 比较容易，我们直接启动 proxy，再通过 codis dashboard 把 proxy 加入集群就行。
• 此时，codis proxy 的访问连接信息都会保存在 Zookeeper 上。所以，当新增了 proxy后，Zookeeper 上会有最新的访问列表，客户端也就可以从 Zookeeper 上读取 proxy 访问列表，把请求发送给新增的 proxy。这样一来，客户端的访问压力就可以在多个 proxy上分担处理了。

（5）集群客户端需要重新开发吗?

• 使用 Redis 单实例时，客户端只要符合 RESP 协议，就可以和实例进行交互和读写数据。但是，在使用切片集群时，有些功能是和单实例不一样的，比如集群中的数据迁移操作，在单实例上是没有的，而且迁移过程中，数据访问请求可能要被重定向（例如 RedisCluster 中的 MOVE 命令）。
• 所以，客户端需要增加和集群功能相关的命令操作的支持。如果原来使用单实例客户端，想要扩容使用集群，就需要使用新客户端，这对于业务应用的兼容性来说，并不是特别友好。
• Codis 集群在设计时，就充分考虑了对现有单实例客户端的兼容性。
• Codis 使用 codis proxy 直接和客户端连接，codis proxy 是和单实例客户端兼容的。而和集群相关的管理工作（例如请求转发、数据迁移等），都由 codis proxy、codisdashboard 这些组件来完成，不需要客户端参与。
• 这样一来，业务应用使用 Codis 集群时，就不用修改客户端了，可以复用和单实例连接的客户端，既能利用集群读写大容量数据，又避免了修改客户端增加复杂的操作逻辑，保证了业务代码的稳定性和兼容性。

（6）怎么保证集群可靠性？

对于一个分布式系统来说，它的可靠性和系统中的组件个数有关：组件越多，潜在的风险点也就越多。

1. codis server

• codis server 其实就是 Redis 实例，只不过增加了和集群操作相关的命令。Redis 的主从复制机制和哨兵机制在 codis server 上都是可以使用的，所以，Codis 就使用主从集群来保证 codis server 的可靠性。简单来说就是，Codis 给每个 server 配置从库，并使用哨兵机制进行监控，当发生故障时，主从库可以进行切换，从而保证了 server 的可靠性。
• 在这种配置情况下，每个 server 就成为了一个 server group，每个 group 中是一主多从的 server。数据分布使用的 Slot，也是按照 group 的粒度进行分配的。同时，codisproxy 在转发请求时，也是按照数据所在的 Slot 和 group 的对应关系，把写请求发到相应 group 的主库，读请求发到 group 中的主库或从库上。

2. codis proxy 和 Zookeeper

• 在 Codis 集群设计时，proxy 上的信息源头都是来自 Zookeeper（例如路由表）。而Zookeeper 集群使用多个实例来保存数据，只要有超过半数的 Zookeeper 实例可以正常工作， Zookeeper 集群就可以提供服务，也可以保证这些数据的可靠性。
• 所以，codis proxy 使用 Zookeeper 集群保存路由表，可以充分利用 Zookeeper 的高可靠性保证来确保 codis proxy 的可靠性，不用再做额外的工作了。当 codis proxy 发生故障后，直接重启 proxy 就行。重启后的 proxy，可以通过 codis dashboard 从Zookeeper 集群上获取路由表，然后，就可以接收客户端请求进行转发了。这样的设计，也降低了 Codis 集群本身的开发复杂度。

（3）codis dishbroad 和 codis fe

对于 codis dashboard 和 codis fe 来说，它们主要提供配置管理和管理员手工操作，负载压力不大，所以，它们的可靠性可以不用额外进行保证了。

四、切片集群方案选择建议

1. 从稳定性和成熟度来看，Codis 应用得比较早，在业界已经有了成熟的生产部署。虽然Codis 引入了 proxy 和 Zookeeper，增加了集群复杂度，但是，proxy 的无状态设计和 Zookeeper 自身的稳定性，也给 Codis 的稳定使用提供了保证。而 Redis Cluster的推出时间晚于 Codis，相对来说，成熟度要弱于 Codis，如果你想选择一个成熟稳定的方案，Codis 更加合适些。
2. 从业务应用客户端兼容性来看，连接单实例的客户端可以直接连接 codis proxy，而原本连接单实例的客户端要想连接 Redis Cluster 的话，就需要开发新功能。所以，如果你的业务应用中大量使用了单实例的客户端，而现在想应用切片集群的话，建议你选择Codis，这样可以避免修改业务应用中的客户端。
3. 从使用 Redis 新命令和新特性来看，Codis server 是基于开源的 Redis 3.2.8 开发的，所以，Codis 并不支持 Redis 后续的开源版本中的新增命令和数据类型。另外，Codis并没有实现开源 Redis 版本的所有命令，比如 BITOP、BLPOP、BRPOP，以及和与事务相关的 MUTLI、EXEC 等命令。Codis 官网上列出了不被支持的命令列表，你在使用时记得去核查一下。所以，如果你想使用开源 Redis 版本的新特性，Redis Cluster是一个合适的选择。
4. 从数据迁移性能维度来看，Codis 能支持异步迁移，异步迁移对集群处理正常请求的性能影响要比使用同步迁移的小。所以，如果你在应用集群时，数据迁移etcd比较频繁的话，Codis 是个更合适的选择。

五、使用 Codis 的小技巧

当你有多条业务线要使用 Codis 时，可以启动多个 codis dashboard，每个 dashboard 管理一部分 codis server，同时，再用一个 dashboard 对应负责一个业务线的集群管理，这样，就可以做到用一个 Codis 集群实现多条业务线的隔离管理了。