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分布式系统的 CAP、BASE 理论¶

CAP 理论¶

CAP：Consistency、Availablity、Partition tolerence

C：一致性，多个数据节点上数据一致；
A：可用性，用户发出请求后的有限时间范围内返回结果；
P：分区容错性，network partition，网络发生分区后，服务是否依然可用；

一个分布式系统不可能同时满足 C、A、P 三个特性，最多可同时满足其中两者；
而对于分布式系统，满足分区容错性几乎是必须的，所以可用的其实只有 AP 和 CP。

BASE 理论¶

BASE：BA，S，E，基于 CAP 演化而来。

BA(Basically Available)：基本可用；
S(Soft state)：软状态/柔性事务，即状态可以在一个时间窗口内是不同步的；
E(Eventually consistency)：最终一致性；

是由 eBay 架构师提出的。BASE 是对 CAP 中一致性和可用性权衡的结果，其来源于对大规模互联网分布式系统实践的总结，是基于 CAP 定律逐步演化而来。其核心思想是即使无法做到强一致性，但每个应用都可以根据自身业务特点，才用适当的方式来使系统打到最终一致性

关于分布式的理论的扩展阅读

什么是 Redis？¶

Redis 是一个开源（BSD许可）的内存数据结构存储，可用作数据库，缓存和消息队列。

支持的数据结构：如字符串，散列，列表，集合，有序集合，位图，超级日志，具有半径查询和流式的地理空间索引。

Redis 内置了复制、Lua scripting、LRU、事务和不同级别的磁盘持久性，并通过 Redis Sentinel 提供高可用性，使用 Redis Cluster 实现自动分区。

Redis 是单进程程序，CPU 并不是瓶颈，支持将数据持久化。

插播：伯克利推出了号称世界最快的 KVS 数据库 Anna，能秒杀 Redis 和 Cassandra，伯克利又要搞事情，希望在以后看到 Anna 的相关实现落地。

一、Redis 程序介绍¶

CentOS 的 Base 仓库已经收录了 Redis，直接使用 yum 就可以安装。

1	yum install redis

默认端口：6379

程序文件：

/etc/redis.conf：配置文件；
/usr/bin/redis-server：主程序；
/usr/lib/systemd/system/redis.service：Unit File 文件；
/usr/bin/redis-cli：命令行接口；
/var/lib/redis：默认存储位置；
/usr/bin/redis-sentinel：主从集群程序；
/etc/redis-sentinel.conf：主从集群配置文件；
/usr/lib/systemd/system/redis-sentinel.service：主从集群的 Unit File 文件；

二、Redis 的常用命令¶

redis-cli：Redis 是 C/S 架构，使用客户端工具连接 Redis 的 Server 端，默认连接本地的 127.0.0.1:6379；

-h：指定连接地址；
-p：端口；
-a：密码；
-r <n> <COMMAND>：执行指定的命令 N 次，不进入交互模式直接执行命令；
-i：使用 -r 时，每个命令等待 N 秒；
-db：定义默认使用的数据库；

与连接相关的命令¶

CLIENT LIST：列出所有连接的客户端；列出的信息中，如果最后的 cmd 为 cmd=replconf 则一般为 slave 节点；
CONFIG KILL：关闭客户端连接；

可在运行时修改参数：

CONFIG GET：查看一个参数；
CONFIG SET：定义一个参数；
CONFIG REWRITE：在命令行中配置的参数也可以同步至配置文件中；
CONFIG RESETSTAT：计数器归零；

Resid 支持创建多个数据库，但是和 MySQL 不同，Redis 的数据库不是自定义名字的，而是按编号排序，默认 0-15 共 16 个，0 号库为默认库，如果要切换数据库则使用 SELECT。

Redis 的命令按照不同的功能分为不同的类别，
使用 help 可以查看帮助，包括命令格式等信息。输入 help 后使用 TAB 键可自动补全分类列表，比如 @generic、@string 等就是不同的分类。

下面按照分类一一解释常用命令。

@connection¶

AUTH：输入认证密码；
ECHO：同 echo；
PING：探测服务器存活与否；
SELECT：切换数据库；

@generic¶

DEL：删除一个 key；
EXISTS：验证一个键是否存在；
KEYS：以指定模式匹配查找所有的键；
TTL：查看一个键的存活时间；
MOVE：把一个键移动至其他数据库；
…

@string¶

SET：设置键值；
GET：获取键值；
EXISTS：判断键值存在与否；
INCR：数值型数据自增；
DECR：数值型数据自减；
SETNX：定义当值不存在时才创建；
SETEX：定义过期时间；
MGET：一次获取多个键；
MSET：一次设置多个键；

@list¶

Redis 中的列表其实就是一个数组，里边有很多元素，对列表中的元素可以操作的方式有：

修改已有元素的值；
新增元素项；
移除一个已有的元素项；

其中移除元素有两种方法：

从首部或尾部开始删除元素，称为 POP（弹出）；
- 以列表首部为 L，尾部为 R，那么：
  - LPOP 就代表从左侧删除；
  - RPOP 就代表从右侧删除；
指定元素删除。

而新增元素项也可以从首部或尾部挤进来，称为 PUSH，以列表首部为 L，尾部为 R，那么：

LPUSH：从左侧插入；
RPUSH：从右侧插入；

组合起来使用的话：
LPUSH + RPOP 的方式就叫队列；特点是元素先进先出，可以作为 消息队列；
LPUSH + LPOP 的方式就叫堆栈，特点是元素先进后出。

LPOP：从列表的左侧删除；
RPOP：从列表的右侧删除；
LPUSH：从列表的左侧插入；
RPUSH：从列表的右侧插入；
LPUSHX：如果元素不存在才从左侧创建；
RPUSHX：如果元素不存在才从右侧创建；
LSET：直接设定某一元素的值；
LLEN：判定整个列表中有多少元素；
LINDEX：取出某个指定元素的值；
LINDEX：指定索引信息；
LINSERT：在指定位置插入元素；
LRANGE：取一个指定的范围；
LREM：删除指定的元素，可批量；

示例：

127.0.0.1:6379> LPUSH alpha a b c d e f g   # 写在最左侧的 a 先入栈，越早入栈的在数列中越靠右
#数值 g f e d c b a
#序号 0 1 2 3 4 5 6

127.0.0.1:6379> LINDEX alpha 0  # 查询第 0 号元素
"g"

127.0.0.1:6379> LPOP alpha      # 弹出最左侧元素，g 就被弹出了
"g"

127.0.0.1:6379> LINDEX alpha 0  # 再查询第 0 号元素就变成了 f
"f"

127.0.0.1:6379> RPUSHX alpha f  # 在从右侧插入 f，并且使用如果不存在才插入
(integer) 7

127.0.0.1:6379> LINDEX alpha 6  # 现在一共 7 个元素，最大号为 6，现在查询第 6 号的值为 f
"f"

@hash¶

hash 就是关联数组，和列表数组不同，列表数组中元素的索引位置是固定的，而关联数组中元素的索引是按照 key 来定位，每一个元素都自带索引和数据，都是一个 K/V，而且 key 是多级的，每个 key 底下可以包含其他子 key。

为了以示区别，每个键值数据的标识称为 key，key 里边的每个子键叫一个字段（field），每个字段可以有自己的值。

HSET：定义一个键值；
HMSET：一次定义值的多个字段；
HLEN：查看共有多少个字段；
HGET：查看指定字段的值；
HMGET：查看多个字段的值；
HKEYS：列出所有字段的键；
HVALS：列出所有字段的值；
HGETALL：列出所有字段的键和值；
HDEL：删除定义的字段；
HEXESTS：判断某个字段是否存在；
HSETNX：如果不存在就新增一个字段的值；

示例：

127.0.0.1:6379> HMSET student_1 id 1 name xiaoming age 5  label TaiJiQuan  # 定义一个 key 为 student_1，还有内部的各种子 key 以及对应的 value
OK

127.0.0.1:6379> HGET student_1 label  # 获取某一个字段的值
"TaiJiQuan"

127.0.0.1:6379> HKEYS student_1       # 查看所有的键
1) "id"
2) "name"
3) "age"
4) "label"

127.0.0.1:6379> HGETALL student_1     # 列出所有字段的键和值
1) "id"
2) "1"
3) "name"
4) "xiaoming"
5) "age"
6) "5"
7) "label"
8) "TaiJiQuan"

@set¶

Redis 也支持集合，配置命令：

SADD：向集合中添加元素；
SCARD：获取所有元素个数；
SINTER：做交集；
SINTERSTORE：做交集并存储在一个新键中；
SUNION：做并集；
SUNIONSTORE：做并集并存储在一个新键中；
SDIFF：做差集；
SDIFFSTOPRE：做差集并存储在一个新键中；
SISMEMBER：判断集合内部是否有这个成员；
SMEMBERS：获取所有成员；
SMOVE：移动指定成员；
SPOP：随机弹出成员；
SRANDMEMBER：随机获取一个成员；
SREM：删除一个成员；

示例：

127.0.0.1:6379> SADD colors_1 red blue green black  # 添加集合 1
(integer) 4
127.0.0.1:6379> SADD solors_2 red blue pink yellow  # 添加集合 2
(integer) 4

127.0.0.1:6379> SINTER colors_1 colors_2  # 做交集
1) "red"
2) "blue"
127.0.0.1:6379> SUNION colors_1 colors_2  # 做并集
1) "pink"
2) "blue"
3) "red"
4) "yellow"
5) "black"
6) "green"
127.0.0.1:6379> SDIFF colors_1 colors_2  # 1 对 2 做差集，1 中有 2 没有的
1) "green"
2) "black"
127.0.0.1:6379> SDIFF colors_2 colors_1  # 2 对 1 做差集，2 中有 1 没有的
1) "pink"
2) "yellow"

@sorted_set¶

在集合的基础上，还有顺序集合，指的是将集合中的元素按照顺序排列。

ZADD：向集合中添加元素，需要指明 score（得分），分数高的排名靠前；
ZCARD：显示所有元素个数；
ZCOUNT：指定一个最大值和最小值，统计在此范围之间的成员数量；
ZINCRBY：增加已排序集合中成员的得分；
ZINTERSTORE：做交集，并存储在一个新键中；
ZLEXCOUNT：按照字母表排序中的成员数；
ZRANGE：按索引显示指定成员的位置；
ZRANGEBYLEX：按指定字母表区间显示匹配的值；
ZRANGEBYSCORE：按指定分数显示匹配的值；
ZRANK：显示集合索引中成员的排序位置；
ZREM：删除指定的成员；
ZSCORE：查看指定成员多少分；

示例：

127.0.0.1:6379> ZADD china 100 beijing 90 sichuan 80 tianjing  # 添加一个顺序集合
(integer) 3

127.0.0.1:6379> ZCARD china           #  获取所有元素个数
(integer) 3

127.0.0.1:6379> ZCOUNT china 85 95    #  统计范围之间的成员数量
(integer) 1

127.0.0.1:6379> ZRANK china beijing   #  显示集合索引中成员的排序位置
(integer) 2

127.0.0.1:6379> ZRANK china sichuan
(integer) 1

@pubsub¶

全称为 Publish Subscribe，也就是发布订阅；发布者从频道扇出消息，订阅者门接收。

SUBSCRIBE：订阅频道，可定义多个；
PSUBSCRIBE：基于模式批量订阅频道；
UNSUBSCRIBE：取消订阅；
PUNSUBSCRIB：基于模式批量取消订阅；
PUBSUB：查看订阅频道的状态信息；
PUBLISH：发布者向指定频道发信息；

示例：

三、Redis 的配置文件¶

Redis 的配置文件和自身的客户端工具相似，也是按照功能分为不同的配置段，每段以 ### 分割，就像下面这样。

[root@node1 ~]# grep -i ^## /etc/redis.conf
################## INCLUDES ##################
################## NETWORK ###################
################# GENERAL ####################
################ SNAPSHOTTING  ###############
################# REPLICATION ################
################## SECURITY ##################
################### LIMITS ###################
############## APPEND ONLY MODE ##############
################ LUA SCRIPTING  ##############
################ REDIS CLUSTER  ##############
################## SLOW LOG ##################
################ LATENCY MONITOR #############
############# EVENT NOTIFICATION #############
############### ADVANCED CONFIG ##############

下面对每段中常用的配置一一介绍，配置文件默认在：/etc/redis.conf。

NETWORK 网络¶

bind 0.0.0.0：定义监听的地址；
port：定义监听的端口；
tcp-backlog：定义后援队列长度，即等待队列；
unixsocket /tmp/redis.sock：如果只在本机使用，建议启用基于 socket 的通信；
unixsocketperm 700：定义 socket 文件的权限；
timeout 0：定义连接的空闲等待超时时间，0 为不断开；
tcp-keepalive 300：定义 TCP 连接的空闲等待超时时间。

SECURITY 安全¶

Redis 账户只有 root，没有权限分级的概念，也不能创建其他的账户。所以只要能连接到 Redis 的客户端都具有管理权限。不过好在 Redis 的配置文件中默认开启了一个叫“保护模式”的选项 protected-mode yes。

但是必须满足以下两个条件才会启用保护模式，缺一不可：

没有使用 bind 指令明确的指明要监听的地址；
没有启用 password；

requirepass PASSWORD：定义一个在客户端连接时必须输入的密码，默认没有启用；使用客户端连接后使用 AUTH $PASSWORD 来验证密码；

Command renaming 命令重命名：

为防止一些危险的命令被误操作，比如删库，可以给命令重新定义名字，例如：

rename-command CONFIG ef94762706d8829d0a37631196422f21af0b8a75

GENERAL 常规¶

darmonize no：要不要运行为守护进程，CentOS6 上一般为 yes，CentOS7 上一般为 no；
loglevel notice：定义日志级别；
logfile /var/log/redis/redis.log：定义日志文件存储路径；
databases 16：定义当前 Redis 最多支持都少个数据库，默认为 16；-1 表示为不予限制；

LIMTIS 限制¶

maxclients 10000：最大并发连接数；
maxmemory <bytes>：Redis 使用的最大内存，一定要设置，否则可能会发生 OOM；
maxmemory-policy：定义当内存用满后使用哪种淘汰数据的策略。
注意：当 Redis 作为缓存时，数据可以被淘汰删除；但是作为数据库时，万万不可随便删除；
- 可用参数如下：
- volatile-lru：Redis 中的键有的定义了过期时间，有的没有定义过期时间，那么对定义了过期时间的键，基于 lru 进行内存淘汰；
- alikeys-lru：对所有的键，无论是否定义了过期时间，都基于 lru 进行内存淘汰；
- volatile-random：对定义了过期时间的键，基于 random 进行内存淘汰；
- alikeys-randow：对所有的键，无论是否定义了过期时间，都基于 random 进行内存淘汰；
- volatile-ttl：对定义了过期时间的键，离过期时间越近的优先淘汰；缺点是过期时间基数大的和基数小的会放一起比较，假如一个 1000s 另一个 10s，五秒钟后一个还剩 995s，另一个只剩 5s，那么被淘汰的是 5s。
- noeviction：此值为默认，不淘汰现有的任何数据；
maxmemory-samples 5：定义淘汰内存时的采样范围；淘汰时每次在内存中只随机采样 5 个，然后选一个进行淘汰，可加快速度；

SLOW LOG 慢查询日志¶

slowlog-log-slower-than 10000：单位微妙 μs，定义慢查询日志的超时时间，默认 10ms；
slowlog-mas-len 128：慢查询日志记录的最大条目；

ADVANCED 高级¶

hash-max-ziplist-entries 512：Redis 在使用 hash 方式存储时，每个键最多使用多少个字段；
hash-max-ziplist-value 64：每个字段最大使用多少字节；

Redis 是内存型存储，I/O 速度非常快，但是和客户端之间的通信是通过网卡一个包一个包发送的，速度比较慢，所以 Redis 没必要在原地等待网卡一个一个发送，可以把数据扔进内存中的缓冲区，让网卡慢慢取，自己去忙别的。

client-output-buffer-limit normal 0 0 0：定义缓冲区的限制规则，硬限制、软限制、宽限期
client-output-buffer-limit slave 256mb 64mb 60：对于从服务器类型的客户端，定义缓冲区限制规则。
client-output-buffer-limit pubsub 32mb 8mb 60：当客户端把 Redis 作为消息队列时的缓冲区限制规则；

四、Redis 的数据持久化¶

Redis 的数据是保存在内存中的，那一断电岂不是就全没了？

当然不会，Redis 是支持将数据保存在磁盘中的，并且有两种保存方式 RDB (Redis DataBase) 和 AOF (Append Only File)，下面分别介绍。

类型	在配置文件中对应的位置
RDB	`##### SNAPSHOTTING #####`
AOF	`##### APPEND ONLY MOD ######`

1. SNAPSHOTTING 即 RDB¶

RDB 存储的是二进制格式，按事先定制的策略，周期性地将数据从内存以快照的形式同步至磁盘；数据文件默认为 /var/lib/redis/dump.rdb；

在 客户端 可以显式使用 SAVE 或 BGSAVE 命令来手动启动快照保存机制；

SAVE：同步阻塞式命令，即在主线程中保存快照，此时会阻塞所有客户端请求；
BGSAVE：异步非阻塞命令，执行期间还可以接收并处理客户端请求，会 folk 一个子进程创建 RDB 文件。

优点：

完全备份，不同时间的数据集备份可以做到多版本恢复；
紧凑的单一文件，方便网络传输，适合灾难恢复；
快照文件直接恢复，大数据集速度较 AOF 快。

缺点：

会丢失最近写入、修改的而未能持久化的数据；
folk 过程非常耗时，会造成毫秒级不能响应客户端请求。

RDB 备份策略：
创建一个定时任务 cronjob，每小时或者每天将 dump.rdb 复制到指定目录确保备份文件名称带有日期时间信息，便于管理和还原对应的时间点的快照版本。定时任务删除过期的备份，如果有必要，跨物理主机、跨机架、异地备份。

在配置文件中（RDB）¶

dbfilename dump.rdb：定义快照的文件名；
dir /var/lib/redis：定义快照文件的保存路径；
rdbchecksum yes：内存中数据和做好的快照是否核对校验码；
rdbcompression yes：保存的快照是否进行压缩；
stop-writes-on-bgsave-error yes：为了保证数据的一致性，如果快照创建失败了，是否停止客户端的所有请求。
save <seconds> <changes>：定义 RDB 多久会将内存的数据以快照的形式同步至磁盘；

# 匹配顺序从下至上，例如：
save 900 1     # (3) 如果 900s 内改变了 1 个键就同步
save 300 10    # (2) 如果 300s 内改变了 10 个键就同步，如果没满足开始匹配 (1)
save 60 10000  # (1) 如果 60s 内改变了 10000 个键就同步，如果没满足开始匹配 (2)
dbfilename dump.rdb
dir /var/lib/redis/6379

# 只要满足上面 3 个条件之一，就自动执行快照
# 执行完后，时间计数器和次数计数器都会归零重新计数。这多个条件不是叠加效果

2. APPEND ONLY MOD 即 AOF¶

在使用 AOF 的方式持久化数据时，每次写操作都将记录保存在指定的磁盘文件实现的持久化，当 Redis 重启时，可通过重新执行文件中的命令在内存中重建出数据库；类似于 MariaDB 的 binlog。

优点：

写入机制，默认 fysnc 每秒执行，性能很好不阻塞服务，最多丢失一秒的数据；
重写机制，可以优化 AOF 文件体积；
如果误操作了（FLUSHALL 等），只要 AOF 未被重写，停止服务并移除 AOF 文件尾部的 FLUSHALL 命令，重启 Redis，可以将数据集恢复到 FLUSHALL 执行之前的状态。

缺点：

相同数据集，AOF 文件体积较 RDB 大了很多；
恢复数据库速度叫 RDB 慢（因为是文本，命令重演）；

在配置文件中（AOF）¶

appendonly no：是否启用 AOF 类型的数据持久化，默认关闭；
appendfilename "appendonly.aof"：定义 AOF 文件的名字，支持使用绝对路径；

AOF 写入机制¶

注意：AOF 方式不能保证绝对不丢失数据！！！

目前常见的操作系统中，执行系统调用 write 函数，将一些内容写入到某个文件里面时，为了提高效率，系统通常不会直接将内容写入硬盘里面。而是每次写操作发给内核后，Linux 内核会先将数据放在内存中的内核空间的缓冲区（buffer）内，至于何时将内存中的数据同步至磁盘，内核有着自己的同步机制，也许等到缓冲区被填满，也许是用户执行 fsync 调用和 fdatasync 调用时才将储存在缓冲区里的内容真正的写入到硬盘里，未写入磁盘之前，数据可能会丢失，这样还是无法保障数据的一致性。

所以，redis 会通过使用 fsync 这个内核级调用来强制将数据从内存同步至磁盘中。

写入磁盘的策略：

appendfsync：定义在什么情况下调用 fsync 内核级参数，以确保的的确确的把内存中的数据同步至磁盘中，可用参数：

always：只要有一个写语句，就马上同步至磁盘，不在内核内存中停留。这种模式下，服务器出现故障，也不会丢失任何已经成功执行的命令数据；
everysec（默认）：无论有多少写语句，每一秒执行一次同步操作。这种模式下，服务器出现故障，最多只丢失一秒钟内的执行的命令数据，建议此项；
no：不自行调用 fsync，而是交给内核自动处理。这种模式下，服务器遭遇意外停机时，丢失命令的数量是不确定的。

运行速度：always 的速度慢，everysec 和 no 都很快。

AOF 日志文件重写¶

如果日志中重复的语句太多，写操作越来越多的被记录，AOF 文件会很大。Redis 会进行 AOF 日志重写来合并写操作，以压缩 AOF 文件。

比如一个键执行了 2W 次的 +1，就要记录 2W 个 +1 的写语句，重放时也徒增负担。这时可以把 2W 个 +1 的写语句重写为只加 1 次的值为 20000，重放是只需要执行一句就可以了。

重写过程：不管之前的 AOF 文件，以当前内存中的数据新建一个 AOF 文件，然后替换之前的。

folk 一个子进程负责重写 AOF 文件；
子进程会在内存中创建一个临时文件写入 AOF 信息；
父进程会开辟一个内存缓冲区接收新的写命令；
子进程重写完成后，父进程会获得一个信号，将父进程接收到的新的写操作由子进程写入到临时文件中
新文件替代旧文件。

注：如果写入操作的时候出现故障导致命令写半截，可以使用 redis-check-aof 工具修复。

AOF 配置重写触发：

auto-aof-rewrite-min-size 64mb：当内容量大于等于此值后，才会进行重写，这个选项用于避免对体积过小的 AOF 文件进行重写；
auto-aof-rewrite-percentage 100(%)：当 AOF 文件的体积大于上一条中指定的体积，并且超过上一次重写之后的 AOF 文件体积的 100% 时，就会触发 AOF 重写。将这个值设置为 0 表示关闭自动 AOF 重写。

当以上两个条件同时满足时，与上次 AOF 文件大小相比，其增长量超过 100%，且文件大小不少于 64MB，才会触发重写 AOF；
如果服务器刚刚启动不久，还没有进行过 AOF 重写，那么使用服务器启动时载入的 AOF 文件的体积来作为基准值）

aof-load-truncated yes：如果从 AOF 恢复时，如果有语句因保存不完整等原因执行失败时，是否清理该语句。
BGREWRITEAOF：AOF 日志文件重写；不会读取正在使用的 AOF 文件，而是通过将内存中的数据以命令的方式保存至临时文件中，完成之后替换原来的 AOF 日志文件；

在客户端中还可直接使用 BGREWRITEAOF 命令执行 AOF 日志文件重写：

重写配置举例：

auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb
# 当 AOF 文件大于 64MB 时候，可以考虑重写 AOF 文件
# 只有当 AOF 文件的增量大于起始 size 的 100% 时（就是文件大小翻了一倍），启动重写

appendonly yes 
# 默认关闭，请开启

当 RDB 与 AOF 同时启用时¶

BGSAVE 和 BGREWRITEAOF 不会同时进行！

Redis 服务器启动时用持久化的数据文件恢复数据，会优先使用 AOF；