redis源码分析(五)--cluster(集群)结构

Redis集群

Redis支持集群模式，集群中可以存在多个master，每个master又可以拥有多个slave。数据根据关键字映射到不同的slot，每一个master负责一部分的slots，数据被存储在负责它的slot的master节点上。slave会同步它的master节点上的数据到本节点，当master节点挂掉时，slave可以上升为master节点继续服务，保障集群的完整性与可靠性。

Redis集群中的每一个节点都拥有其它所有节点的信息，任意节点都知道客户端请求的数据被存储在哪一个master节点上，因此客户端可以连接到任意节点执行操作。这不同于hdfs文件系统的namenode与datanode的概念，namenode一旦挂掉，整个系统就不可用了，namenode成为了系统的瓶颈。Redis中master不仅拥有多个slave，并且空闲的slave还可以在不同的master之间流动，加强集群的可靠性。

这篇文章主要介绍redis的集群结构及内部集群信息的管理，slave与master之间数据的同步将在其它文章中介绍。

1. Redis集群结构

Redis中存在多个master，每个master又可以有多个slave，现假设有集群中有9个节点，3个master，每个master节点又有2个slave，那么它的结构可以表示如图1-1：

图1-1 集群结构图

不同的master可以拥有不同数量的slave，且集群中任意一个节点都与其它所有节点建立了连接，每一个节点都在称为cluster port的端口监听其它节点的集群通信连接。

2. Redis集群数据结构

与集群相关的数据结构主要有clusterState与clusterNode两个(在cluster.h源文件中声明)：每一个redis实例拥有唯一一个clusterState实例，即server.cluster；而clusterNode的实例与集群中的节点数目n对应，每一个节点上都拥有n个clusterNode实例表示它知道的n个节点的信息，存储在clusterState结构的nodes成员中。

clusterState中有2个与集群结构相关的成员，声明如下(省略了大部分成员，仅留下了与集群整体结构相关的成员)：

typedef struct clusterState {
    clusterNode *myself;  /* This node */
　　...
    dict *nodes;          /* Hash table of name -> clusterNode structures */
　　...
    clusterNode *slots[CLUSTER_SLOTS];
　　...
} clusterState;

nodes成员是一个字典，以节点nameid为关键字，指向clusterNode的指针为值，假设集群有4个节点，那么nodes存储内容大致可以表示如下：

图2-1 nodes结构

集群中的节点都有一个nameid，以nameid为索引即可在nodes字典中找到描述该节点信息的clusterNode实例。而slots是一个clusterNode结构的指针数组，CLUSTER_SLOTS是redis中定义的支持的slot最大值，所有的key计算得到的slot都小于该值。slots[slot]存储着负责该slot的master节点的clusterNode结构的指针。每一个节点上都拥有该slots数组，因此在任意节点上都可以查找到负责某个slot的主节点的信息。假设集群拥有3个master节点，那么slots结构可表示如下：

图2-2 clusterState中的指针数组slots

clusterNode结构描述了一个节点的基本信息，如ip，port, cluster port等，其声明如下：

typedef struct clusterNode {
    mstime_t ctime; /* Node object creation time. */
    char name[CLUSTER_NAMELEN]; /* Node name, hex string, sha1-size */
    int flags;      /* CLUSTER_NODE_... */
　　...
    unsigned char slots[CLUSTER_SLOTS/]; /* slots handled by this node */
    int numslots;   /* Number of slots handled by this node */
    int numslaves;  /* Number of slave nodes, if this is a master */
    struct clusterNode **slaves; /* pointers to slave nodes */
    struct clusterNode *slaveof; /* pointer to the master node. Note that it
                                    may be NULL even if the node is a slave
                                    if we don't have the master node in our
                                    tables. */
　　...
    char ip[NET_IP_STR_LEN];  /* Latest known IP address of this node */
    int port;                   /* Latest known clients port of this node */
    int cport;                  /* Latest known cluster port of this node. */
    clusterLink *link;          /* TCP/IP link with this node */
　　...
} clusterNode;

name即是nodes字典中用作关键字的节点nameid

slots与clusterState中的slots有所不同，这里以bit的索引作为slot值，以该bit的状态标识该clusterNode对应的节点是否负责该slot。

slaves与slaveof代表了节点之间的master-slave关系。如果这是一个master节点，那么它的slave节点的clusterNode指针存储在slaves数组中；如果这是一个slave节点，那么slaveof指向了它的master节点的clusterNode。

link，指向当前节点与该clusterNode代表的节点之间的连接的相关信息，节点之间通过该link定期发送ping/pong消息。

在每一个节点中都维护了它知道的所有节点的clusterNode结构，从集群角度上来讲所有节点地位都是平等的，避免了瓶颈节点的出现。而这些结构中的信息主要用于节点之间的通信(即ping/pong)，类似于心跳信息，维护整个集群的状态。

3. Redis集群通信结构

Redis集群中的节点没有namenode与datanode的区别，每一个节点都维护了所有节点的信息。如前一小节介绍，clusterNode结构中的link指向了当前节点与clusterNode所代表的节点之间的连接，Redis中每一个节点都与它所知道的所有节点之间维护了一个连接，通过这些连接发ping/pong消息，同步集群信息。集群中任意两个节点之间都建立了两个tcp连接，例如有nodeA与nodeB，那么nodeA中代表nodeB的clusterNode中有一个link维护了A主动与B建立的连接，而nodeB中代表nodeA的clusterNode中也有一个link维护了B主动与A建立的连接，即构建了一个全双工的通信链路。假设集群中存在3个节点，那么它们之间的通信结构如下所示：

图3-1 3个节点的集群通信结构

注意每个节点也维护了自身的clusterNode结构，并且在clusterState中使用myself指向它。方便修改自身节点的状态。

4. link的建立与节点发现

每一个节点都会在cluster port端口监听tcp连接请求，参见clusterInit函数，并且每个节点都有一个定时任务clusterCron，其中会遍历nodes字典，检测其中的clusterNode的link是否建立，如果没有建立连接，那么会主动连接该clusterNode所代表的节点建立连接。如果nodes字典中没有某个节点clusterNode结构，那么便不会与它建立连接。

建立clusterNode的时机大致有如下几处：

1. 从文件中加载节点信息建立 clusterNode结构，在函数clusterLoadConfig中。
2. 客户端执行meet命令告知节点信息，建立相应的clusterNode结构，由函数clusterCommand调用clusterStartHandshake完成。
3. 接收到meet类消息，建立与发送方对应的clusterNode结构，在函数clusterProcessPacket中。
4. 接收到的ping/pong/meet消息中带有其它不知道的节点信息，建立相应的clusterNode结构，同样在clusterProcessPacket函数中，调用clusterStartHandshake完成。

新建立的clusterNode的nameid是随机的，并且此时的clusterNode中flag设置为CLUSTER_NODE_HANDSHAKE状态，表示尚未首次通信。当clusterCron中建立相应的link，并发送ping/meet消息，收到响应消息(Pong)时去除CLUSTER_NODE_HANDSHAKE状态，并将clusterNode的nameid修改为响应消息中附带的nameid，至此成功建立一个方向的连接，反方向的连接由对方主动发起建立。

5. Redis处理通信的函数结构

1. clusterInit中监听端口cport，注册读事件，响应函数为clusterAcceptHandler。
2. clusterCron中主动建立连接，并将连接结构保存到clusterNode中的link指针中。注册读事件，响应函数为clusterReadHandler，并主动发送ping/meet消息，若先前未注册写事件，则为该link注册写事件，响应函数为clusterWriteHandler。
3. clusterAcceptHandler中接受连接后建立link结构(未保存)，并注册读事件，响应函数为clusterReadHandler。
4. clusterReadHandler中接收数据，当接收到一个完整的消息后，调用clusterProcessPacket函数处理。

Redis中定义了集群通信消息的结构，每一个消息至少包含一个消息头，而消息头中包含整个消息的长度，因此clusterReadHandler中可以判断是否接收到一个完整的数据包。

link指向的结构中包含了sndbuf与rcvbuf两个缓存，其定义如下：

/* clusterLink encapsulates everything needed to talk with a remote node. */
typedef struct clusterLink {
    mstime_t ctime;             /* Link creation time */
    int fd;                     /* TCP socket file descriptor */
    sds sndbuf;                 /* Packet send buffer */
    sds rcvbuf;                 /* Packet reception buffer */
    struct clusterNode *node;   /* Node related to this link if any, or NULL */
} clusterLink;

clusterWriteHandler负责将sndbuf中的数据发送出去，clusterReadHandler负责将数据接收到rcvbuf中，需要发送的集群数据都先填充到sndbuf中，需要接收到数据都先缓存到rcvbuf中，rcvbuf中积累了一个完整数据包再由clusterProcessPacket函数处理。通过缓存将io与数据包处理逻辑分离，简化代码结构。