13--memcache与redis

前言：数据库读取速度较慢一直是无法解决的问题，大型网站应对的方式主要是使用缓存服务器来缓解这种情况，减少数据库访问次数，以提高动态Web等应用的速度、提高可扩展性。

1、简介

Memcached/redis是高性能的分布式内存缓存服务器,通过缓存数据库查询结果，减少数据库访问次数，以提高动态Web等应用的速度、 提高可扩展性。

2、memcache

2.1、memcache简介

memcache特点如下：

• 内置内存存储方式：数据完全不走硬盘，重启操作系统会导致全部数据消失。
• 简单key/value存储：服务器不关心数据本身的意义及结构，只要是可序列化数据即可，所以极其方便读取。 存储项由“键、过期时间、可选的标志及数据”四个部分组成；
• 不互相通信的分布式：memcached尽管是“分布式”缓存服务器，但服务器端并没有分布式功能。 各个memcached不会互相通信以共 享信息，由客户端决策信息存放位置。

memcache工作流程：

1. 检查用户请求的数据是缓存中是否有存在，如果有存在的话，只需要直接把请求的数据返回，无需查询数据库。
2. 如果请求的数据在缓存中找不到，这时候再去查询数据库。返回请求数据的同时，把数据存储到缓存中一份。
3. 保持缓存的“新鲜性”，每当数据发生变化的时候（比如，数据有被修改，或被删除的情况下），要同步的更新缓存信息，确保用户不会在缓存取到旧的数据。

2.2、memcache部署

下述环境已提前更换阿里基础仓房，epel源，关闭防火墙和selinux

[root@localhost ~]# yum install -y memcached

修改配置文件

[root@localhost ~]# vim /etc/sysconfig/memcached 
[root@localhost ~]# cat /etc/sysconfig/memcached 
PORT="11211"          # Memcached服务监听的端口号
USER="memcached"       # 运行Memcached服务的用户
MAXCONN="1024"         # 允许的最大并发连接数
CACHESIZE="64"         # Memcached的缓存大小，单位为MB，可以根据内存大小进行调整
OPTIONS=""             # 其他启动选项，例如可用于设置内存分配策略或其他配置

启动memcache

[root@localhost ~]# systemctl start memcached[root@localhost ~]# ps aux | grep memcache
memcach+  62086  0.0  0.1 344100  1688 ?        Ssl  22:20   0:00 /usr/bin/memcached -u memcached -p 11211 -m 64 -c 1024
root      62095  0.0  0.0 112824   988 pts/0    R+   22:21   0:00 grep --color=auto memcache

尝试简单的memcache的使用（实际功能中此处为应用程序逻辑设计，和运维无关，此处仅为测试memcache功能使用）

[root@localhost ~]# yum install -y telnet
[root@localhost ~]# telnet 127.0.0.1 11211
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
set name 0 900 9
liumuquan
STORED
get name
VALUE name 0 9
liumuquan
END
^]
telnet> quit
Connection closed.#    此处set参数解释#    set key的名字 key的id号 缓存过期时间(0为无限) 字符串最大长度

memcache这里简单整理了一下，主要重心还是放在redis上，redis对于memcache优势太明显了。

3、redis

3.1、redis简介

redis是一个开源的、使用C语言编写的、支持网络交互的、可基于内存也可持久化的Key-Value数据库。目前，Vmware在资助着redis项目的开发和维护。目前使用redis公司主要有暴雪、github、digg等。

redis特点：丰富的数据结构、支持持久化、支持事务（可以做集群分布式保证数据安全）、支持主从。

3.2、redis部署

基础环境

IP	角色
192.168.188.128	master1

安装redis

[root@localhost ~]# wget http://download.redis.io/releases/redis-4.0.9.tar.gz -O /redis-
[root@localhost ~]# cd /
[root@localhost /]# tar zxf redis-4.0.9.tar.gz 
[root@localhost /]# cd redis-4.0.9
[root@localhost redis-4.0.9]# pwd
/redis-4.0.9
[root@localhost redis-4.0.9]# make

配置开机启动

[root@localhost redis-4.0.9]# mkdir /etc/redis
[root@localhost redis-4.0.9]# cp /redis-4.0.9/redis.conf /etc/redis/6379.conf
[root@localhost redis-4.0.9]# cp /redis-4.0.9/utils/redis_init_script /etc/init.d/redis

编辑启动文件（此处尽量全文复制，后台运作容易遗忘）

[root@localhost redis-4.0.9]# vim /etc/init.d/redis 
[root@localhost redis-4.0.9]# cat /etc/init.d/redis 
#!/bin/sh
#
# Simple Redis init.d script conceived to work on Linux systems
# as it does use of the /proc filesystem.
# chkconfig: 2345 10 90
# description: Start and Stop redisREDISPORT=6379
#EXEC=/usr/local/bin/redis-server
EXEC=/redis-4.0.9/src/redis-server
#CLIEXEC=/usr/local/bin/redis-cli
CLIEXEC=/redis-4.0.9/src/redis-cliPIDFILE=/var/run/redis_${REDISPORT}.pid
CONF="/etc/redis/${REDISPORT}.conf"case "$1" instart)if [ -f $PIDFILE ]thenecho "$PIDFILE exists, process is already running or crashed"elseecho "Starting Redis server..."$EXEC $CONF &fi;;stop)if [ ! -f $PIDFILE ]thenecho "$PIDFILE does not exist, process is not running"elsePID=$(cat $PIDFILE)echo "Stopping ..."$CLIEXEC -p $REDISPORT shutdownwhile [ -x /proc/${PID} ]doecho "Waiting for Redis to shutdown ..."sleep 1doneecho "Redis stopped"fi;;*)echo "Please use start or stop as first argument";;
esac

[root@localhost redis-4.0.9]# chmod +x /etc/init.d/redis 
[root@localhost redis-4.0.9]# chkconfig --add redis#    这个命令是老版本centos添加开机启动项用的，这里是按照官方文档选用的这种方式[root@localhost redis-4.0.9]# chkconfig redis on#    设置redis开机启动[root@localhost redis-4.0.9]# chkconfig --list注：该输出结果只显示 SysV 服务，并不包含
原生 systemd 服务。SysV 配置数据
可能被原生 systemd 配置覆盖。 要列出 systemd 服务，请执行 'systemctl list-unit-files'。查看在具体 target 启用的服务请执行'systemctl list-dependencies [target]'。netconsole     	0:关	1:关	2:关	3:关	4:关	5:关	6:关
network        	0:关	1:关	2:开	3:开	4:开	5:开	6:关
redis          	0:关	1:关	2:开	3:开	4:开	5:开	6:关#    这里的0-6对应的是centos的0-6状态，1是单用户模式[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl daemon-reload#    重新加载自启动信息[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl start redis
[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl status redis

redis测试

[root@localhost redis-4.0.9]# /redis-4.0.9/src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> set name liumuquan
OK
127.0.0.1:6379> get name
"liumuquan"
127.0.0.1:6379> 

3.3、redis持久化

3.3.1、持久化简介

Redis 持久化是指将 Redis 内存中的数据持久化保存到硬盘上，以防止服务器重启或宕机时数据丢失。在 Redis 中，有两种主要的持久化方式：RDB（Redis DataBase）和 AOF（Append Only File）。

1. RDB 持久化：

   • RDB 持久化通过定期将 Redis 内存中的数据快照写入磁盘来实现。管理员可以配置 Redis 定期将内存中的数据以快照的形式保存到一个 .rdb 文件中。
   • 这种方式类似于拍照，Redis 在指定的时间点将当前的数据状态保存下来。这种方式适合用于备份，恢复较大数据集时速度较快，因为只需要读取一个文件即可还原数据。

2. AOF 持久化：

   • AOF 持久化则是通过记录 Redis 服务器所执行的写命令（例如 SET、INCR 等）来记录数据变化。这些命令以追加的方式写入一个文件中，称为 AOF 文件。
   • 这种方式类似于录制操作日志，Redis 在执行写命令时将其追加到文件末尾。当服务器需要恢复时，会重新执行 AOF 文件中的命令，从而重建数据状态。
   • AOF 文件通常比 RDB 文件更大，因为它记录了每个写操作，但它提供了更精细的数据恢复和更小的数据丢失风险。

大概可以这么理解：

• RDB 类比：想象你在玩一个游戏，游戏允许你在每个关卡结束时保存进度。这样，即使你在下一个关卡失败，你可以重新加载上一个关卡的进度并继续游戏。

• AOF 类比：而 AOF 则像你在玩一个没有保存功能的游戏，但它可以记录下你每一步的操作。如果你因为失误或游戏崩溃而需要重新开始，你可以根据你的操作日志重新执行每一步，从而恢复到你离开的地方，虽然过程有点麻烦，但是保证了你不会丢失任何进度。

两种方法虽然有不同，但是由于实际使用中的特殊性，当不需要数据安全时两个全关就行，需要时双开，因RDB数据不实时，但同时使用两者时服务器只会找AOF文件,所以RDB留作万一的手段。

3.3.2、配置redis持久化

RDB默认开启，查看配置

[root@localhost ~]# vim /redis-4.0.9/redis.confdbfilename dump.rdb
#使用RDB时，持久化存在本地的文件叫dump.rdbdir ./
#持久化数据存储在本地的路径save 900 1
save 300 10
save 60 10000
#触发快照的时机，
#save 多少时间内 被改过多少次
#出发以上条件就会被拍摄快照stop-writes-on-bgsave-error yes
#当snapshot时出现错误无法继续时，是否阻塞客户端“变更操作”，“错误”可能因为磁盘已满/磁盘故障/OS级别异常等，这里配置的是报错拒绝继续写入rdbcompression yes
#是否启用rdb文件压缩，默认为“yes”，压缩很占用cpu，同时同时可以节省存储空间和减少网络传输时间 

客户端使用命令进行持久化save存储

[root@localhost ~]#./redis-cli -h ip -p port save
#前台进行存储
[root@localhost ~]#./redis-cli -h ip -p port bgsave
#后台进行存储#每次快照持久化都是将内存数据完整写入到磁盘一次，并不是增量的只同步脏数据。如果数据量大的话，而且写操作比较多，必然会引起大量的磁盘io操作，可能会严重影响性能。

AOF默认关闭，开启方式

[root@localhost ~]# vim /redis-4.0.9/redis.conf##此选项为aof功能的开关，默认为“no”，可以通过“yes”来开启aof功能  
##只有在“yes”下，aof重写/文件同步等特性才会生效  
appendonly yes  appendfilename appendonly.aof
#指定aof文件名称appendfsync everysec
#指定aof操作中文件同步策略，有三个合法值：always everysec no,默认为everysec
#这行指令设置了 AOF 文件的同步方式。everysec 表示每秒钟将 AOF 文件同步到磁盘一次，以确保即使系统崩溃，最多丢失一秒钟的数据。no-appendfsync-on-rewrite no  
#在aof-rewrite(重写)期间，appendfsync是否暂缓文件同步，"no"表示“不暂缓”，“yes”表示“暂缓”，默认为“no”auto-aof-rewrite-min-size 64mb
#触发aof rewrite的最小文件尺寸auto-aof-rewrite-percentage 100
#这行指令设置了触发自动 AOF 重写的增长百分比。100 表示当当前 AOF 文件大小比上一次重写时的大小增长了 100%（即翻倍）时，触发自动 AOF 重写。重写是为了使aof体积保持最小，而确保保存最完整的数据。

3.4、redis主从

3.4.1、redis主从简介

1. 用法

   Redis支持类似于MySQL的主从结构，允许配置一主多从甚至多级从结构。主从结构旨在提供冗余备份和增强读性能，例如将性能消耗较大的SORT操作分担给从服务器。Redis的主从同步是异步进行的，不会影响主服务器的主要逻辑或性能。在主从架构中，可以考虑关闭主服务器的数据持久化，由从服务器承担这一任务，以提高主服务器的处理性能。通常情况下，从服务器设置为只读，以防止误修改数据，但仍可接受CONFIG等命令。对于不安全的网络环境，建议重命名重要命令以避免误操作。

2. 原理

   从服务器通过发送SYNC指令向主服务器请求同步。主服务器收到SYNC指令后，会执行BGSAVE命令生成RDB文件进行数据持久化。在持久化期间，主服务器将所有写操作缓存在内存中。BGSAVE完成后，主服务器将RDB文件发送给从服务器，从服务器将文件存储到磁盘并加载到内存。然后，主服务器以Redis协议格式将缓存的写操作发送给从服务器。即使多个从服务器同时发出SYNC指令，主服务器也只执行一次BGSAVE，并将生成的RDB文件发送给所有从服务器。在Redis 2.8版本之前，主从断开连接后会进行全量数据同步，而2.8版本后支持高效的增量同步，显著降低了连接断开恢复成本。主服务器在内存中维护缓冲区，用于存储将发送给从服务器的内容。如果从服务器与主服务器连接断开，从服务器会尝试重新连接，成功后发送“希望同步的主服务器ID”和“希望请求的复制偏移量”。主服务器验证ID匹配后，检查缓冲区中是否存在请求的偏移量，并根据需要向从服务器发送增量内容。增量同步功能需要服务器端支持全新的PSYNC指令，该指令从Redis 2.8版本开始提供。

3.4.2、 redis主从部署

3.4.2.1、基础环境

IP	角色
192.168.188.128	master
192.168.188.129	slave1
192.168.188.130	slave2

在slave1和slave2上部署上redis

slave1操作如下

[root@localhost /]# tar xf redis-4.0.9.tar.gz 
[root@localhost /]# cd /redis-4.0.9
[root@localhost redis-4.0.9]# make
[root@localhost redis-4.0.9]# mkdir /etc/redis
[root@localhost redis-4.0.9]# cp /redis-4.0.9/redis.conf /etc/redis/6379.conf
[root@localhost redis-4.0.9]# cp /redis-4.0.9/utils/redis_init_script /etc/init.d/redis
[root@localhost redis-4.0.9]# vim /etc/init.d/redis

[root@localhost redis-4.0.9]# vim /etc/init.d/redis 
[root@localhost redis-4.0.9]# cat /etc/init.d/redis 
#!/bin/sh
#
# Simple Redis init.d script conceived to work on Linux systems
# as it does use of the /proc filesystem.
# chkconfig: 2345 10 90
# description: Start and Stop redisREDISPORT=6379
#EXEC=/usr/local/bin/redis-server
EXEC=/redis-4.0.9/src/redis-server
#CLIEXEC=/usr/local/bin/redis-cli
CLIEXEC=/redis-4.0.9/src/redis-cliPIDFILE=/var/run/redis_${REDISPORT}.pid
CONF="/etc/redis/${REDISPORT}.conf"case "$1" instart)if [ -f $PIDFILE ]thenecho "$PIDFILE exists, process is already running or crashed"elseecho "Starting Redis server..."$EXEC $CONF &fi;;stop)if [ ! -f $PIDFILE ]thenecho "$PIDFILE does not exist, process is not running"elsePID=$(cat $PIDFILE)echo "Stopping ..."$CLIEXEC -p $REDISPORT shutdownwhile [ -x /proc/${PID} ]doecho "Waiting for Redis to shutdown ..."sleep 1doneecho "Redis stopped"fi;;*)echo "Please use start or stop as first argument";;
esac

[root@localhost redis-4.0.9]# scp /etc/init.d/redis 192.168.188.130:/etc/init.d/
[root@localhost redis-4.0.9]# chmod +x /etc/init.d/redis 
[root@localhost redis-4.0.9]# chkconfig --add redis
[root@localhost redis-4.0.9]# chkconfig redis on
[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl daemon-reload
[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl start redis

slave2操作同slave1

3.4.2.2、master配置

[root@localhost ~]# vim /etc/redis/6379.conf#bind 127.0.0.1
#注释掉
bind 0.0.0.0
#增加监听地址为所有ip#protected-mode yes
protected-mode no
#关闭保护模式[root@localhost ~]# systemctl restart redis

3.4.2.3、salve1配置

[root@localhost redis-4.0.9]# vim /etc/redis/6379.confslaveof 192.168.188.128 6379
#bind 127.0.0.1
bind 0.0.0.0
#protected-mode yes
protected-mode no[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl restart redis

3.4.2.3、salve2配置

同slave1

3.4.3、redis主从测试

在master上

[root@localhost ~]# /redis-4.0.9/src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> set your_id 1210
OK
127.0.0.1:6379> get your_id
"1210"
#查询主从状态
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=192.168.188.129,port=6379,state=online,offset=1557,lag=1
slave1:ip=192.168.188.130,port=6379,state=online,offset=1557,lag=0
master_replid:65eda2694558d007f08f5645d92fb67c4423c265
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:1557
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:1557
127.0.0.1:6379> 

在slave1上

[root@localhost redis-4.0.9]# /redis-4.0.9/src/redis-cli
127.0.0.1:6379> get your_id
"1210"
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:slave
master_host:192.168.188.128
master_port:6379
master_link_status:up
master_last_io_seconds_ago:8
master_sync_in_progress:0
slave_repl_offset:1669
slave_priority:100
slave_read_only:1
connected_slaves:0
master_replid:65eda2694558d007f08f5645d92fb67c4423c265
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:1669
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:253
repl_backlog_histlen:1417
127.0.0.1:6379> 

主从架构实现，可以保持数据同步，但此时集群无法实现灾备冗余，主服务器宕机时，从服务器此时无法承担主服务器角色，需要使用redis-sentine来实现。

3.5、redis-sentinel

3.5.1、redis-sentinel简介

Redis Sentinel是Redis官方推荐的高可用性（HA）解决方案，允许你创建一个能够自动处理各种故障的Redis部署，无需人工干预。

作用：

1. 检测Master状态。
2. 在Master异常时进行Master-Slave切换，将一个Slave提升为新的Master，原Master降级为Slave。
3. 切换后，会自动更新配置文件：master_redis.conf会新增slaveof配置，sentinel.conf中的监控目标也会相应调整。

工作方式：

1. 每个Sentinel每秒向已知的Master、Slave和其他Sentinel实例发送PING命令。
2. 如果一个实例超过配置的down-after-milliseconds时间未响应PING命令，Sentinel会将其标记为主观下线。
3. Sentinel持续检查主观下线的Master状态，确认是否达到客观下线条件。
4. 当足够多的Sentinel在指定时间内确认主观下线状态时，Master会被标记为客观下线。

3.5.2、redis-sentinel部署

继续使用上面的环境

1)每台机器上修改redis主配置文件设置：bind 0.0.0.0（略）

2）每台机器上修改sentinel配置文件：

master如下

[root@localhost ~]# vim /redis-4.0.9/sentinel.conf
#sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
sentinel monitor mymaster 192.168.188.128 6379 2#    当集群中有2个（超过半数）sentinel认为master死了时，才能真正认为该master已经不可用了。#sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000
sentinel down-after-milliseconds mymaster 3000#    3秒内没收到有效回复后认定主服务器离线（默认30秒）#sentinel failover-timeout mymaster 180000
sentinel failover-timeout mymaster 10000#    故障发生后10秒内完成选举，若sentinel在该配置值内未能完成failover(故障转移)操作（即故障时master/slave自动切换），则认为本次failover失败。# protected-mode no
protected-mode no#    关闭保护模式

slave1、slave2同上

3）启动哨兵，三台都要启动

[root@localhost ~]# cd /redis-4.0.9
[root@localhost redis-4.0.9]# ./src/redis-sentinel sentinel.conf 

3.5.3、redis-sentinel测试

关闭主服务器，观察从服务器改变状态

在master上使用ctrl+c停止当前进程

[root@localhost redis-4.0.9]# systemctl stop redis

观察从服务器返回信息

 选举slave2成为主服务器，slave2状态如下

[root@localhost redis-4.0.9]# /redis-4.0.9/src/redis-cli
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=192.168.188.129,port=6379,state=online,offset=63531,lag=0
slave1:ip=192.168.188.128,port=6379,state=online,offset=63531,lag=0
master_replid:b417e01353b4a576aaba97987acd33602ba5d9df
master_replid2:bd33fbabce342aeb3ec5c5aa85aaf1a2e5a02b23
master_repl_offset:63676
second_repl_offset:4257
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:63676
127.0.0.1:6379> 

3.6、redis使用经验

1. Master的工作不应包括持久化任务，如RDB快照和AOF日志文件。
2. 如果数据非常重要，可以让某个Slave开启AOF备份数据，设置为每秒同步一次。
3. 为了提高主从复制的速度和连接稳定性，最好将Master和Slave部署在同一个局域网内。
4. 在主库压力较大时，应尽量避免增加从库，可以通过为现有从库增加从库来缓解压力。
5. 主从复制应采用单向链表结构而不是树状结构，例如：Master（写） <- Slave1（读） <- Slave2（读） <- Slave3（读）... 这种结构有助于提高稳定性和处理单点故障问题。如果Master宕机，可以立即将Slave1提升为新的Master，其他从库保持不变。