Redis Cluster Slot 迁移实战：踩坑与避坑指南

你好！我是爱琢磨的 Redis 老兵“码农老周”。

今天咱们来聊聊 Redis Cluster 的核心：slot 迁移。别看 Redis Cluster 提供了自动化的 slot 管理，真到大规模集群扩容、缩容或者手动调整负载均衡的时候，slot 迁移的坑可不少。如果你正准备或者正在进行 Redis Cluster 的 slot 迁移操作，这篇文章绝对能帮你少走弯路。

为什么需要 Slot 迁移？

Redis Cluster 将所有的数据划分为 16384 个 slot（槽）。每个 key 通过 CRC16 校验后对 16384 取模来决定放置在哪个 slot 中。slot 是 Redis Cluster 进行数据分片和管理的基本单位。当出现以下情况时，就需要进行 slot 迁移：

• 集群扩容： 新增节点后，需要将一部分 slot 从现有节点迁移到新节点，实现负载均衡。
• 集群缩容： 下线节点前，需要将该节点负责的 slot 迁移到其他节点，保证数据不丢失。
• 手动调整负载均衡： 当某些节点负载过高，而另一些节点负载过低时，可以通过手动迁移 slot 来平衡各个节点的负载。

Slot 迁移的流程

Redis Cluster 的 slot 迁移过程，主要分为以下几个步骤（以从节点 A 迁移到节点 B 为例）：

1. 准备迁移： 在节点 B 上设置 cluster setslot <slot> importing <source_node_id>，表示准备从节点 A 导入指定的 slot。
2. 开始迁移： 在节点 A 上设置 cluster setslot <slot> migrating <destination_node_id>，表示该 slot 正在迁移到节点 B。
3. 迁移 Key： 节点 A 扫描该 slot 下的所有 key，逐个将 key 迁移到节点 B。
   • 使用 MIGRATE 命令原子性地迁移 key。这个命令会将 key 从节点 A 删除，并在节点 B 上原子性地恢复。
   • MIGRATE 命令在执行过程中会阻塞节点 A 和节点 B 对该 key 的操作。但是对于cluster模式，由于是逐个key进行迁移，单个key阻塞时间通常很短。
4. 迁移完成： 当节点 A 将该 slot 下的所有 key 都迁移到节点 B 后，向集群内所有节点（包括自身）广播 cluster setslot <slot> node <destination_node_id> 命令，告知集群该 slot 已经迁移到节点 B。

Slot 迁移中可能遇到的问题与解决方案

1. 大 Key 迁移阻塞

问题描述：

如果某个 slot 中存在较大的 key（例如，一个包含数百万元素的 list 或 set），在迁移过程中，MIGRATE 命令可能会阻塞较长时间，导致节点 A 和节点 B 在这段时间内无法处理其他请求，影响集群的整体性能。

解决方案：

• 避免大 Key： 这是根本的解决方案。在设计 Redis 数据结构时，应尽量避免使用过大的 key。可以将大 key 拆分成多个小 key，例如，将一个大的 list 拆分成多个小的 list。
• 手动迁移大 Key： 如果已经存在大 key，可以考虑在业务低峰期手动迁移。先使用 SCAN 命令扫描出大 key，然后使用 DUMP 和 RESTORE 命令，或者pipeline的方式，配合业务自定义的脚本进行迁移。这种方式虽然比较麻烦，但可以避免 MIGRATE 命令的长时间阻塞。
• 优化 MIGRATE 命令（Redis 6.0 及以上版本）： Redis 6.0 引入了 MIGRATE 命令的 COPY 和 REPLACE 选项，以及 AUTH 和 AUTH2 选项支持密码认证。更重要的是，它引入了 MIGRATE ... COPY ... REPLACE ... KEYS 选项。通过使用 KEYS 选项，MIGRATE 命令可以一次迁移多个 key，减少网络交互次数，提高迁移效率。 但是，即使使用批量迁移，如果总数据量依然很大，阻塞仍然可能发生。因此，避免大 key 才是根本。

2. 迁移过程中出现客户端错误

问题描述：

在 slot 迁移过程中，客户端可能会遇到 MOVED 或 ASK 错误。

• MOVED 错误：表示客户端访问的 key 所在的 slot 已经迁移到其他节点。客户端需要根据 MOVED 错误中提供的新节点地址，重新连接到新节点。
• ASK 错误：表示客户端访问的 key 所在的 slot 正在迁移中。客户端需要先向目标节点发送 ASKING 命令，然后再发送实际的命令。

解决方案：

• 使用支持 Cluster 的客户端： 推荐使用支持 Redis Cluster 的客户端（例如 Jedis、Lettuce、redis-py-cluster 等）。这些客户端会自动处理 MOVED 和 ASK 错误，对客户端代码透明。
• 手动处理错误： 如果使用的客户端不支持 Cluster，或者想自己处理错误，可以根据 MOVED 和 ASK 错误的具体信息，手动重定向请求。

3. 迁移速度过慢

问题描述：

在集群规模较大、数据量较多的情况下，slot 迁移可能会非常耗时，甚至需要几天时间才能完成。这可能会影响业务的正常运行。

解决方案：

• 调整 cluster-migration-barrier 参数： cluster-migration-barrier 参数控制在迁移开始前，源节点至少需要连接多少个从节点。减小这个参数可以加快迁移速度，但可能会增加数据丢失的风险（在主节点故障时，如果从节点同步不及时，可能丢失数据）。建议根据实际情况谨慎调整。
• 增加带宽： 如果网络带宽成为瓶颈，可以考虑增加带宽。
• 错峰迁移： 尽量在业务低峰期进行 slot 迁移，减少对业务的影响。
• 优化硬件： 升级服务器硬件，特别是磁盘 I/O 性能，可以显著提升迁移速度。

4. 负载不均衡

问题描述：

即使进行了 slot 迁移，集群的负载仍然可能不均衡。例如，某些节点负责的 slot 数量较少，但这些 slot 中的 key 访问频率很高，导致这些节点负载过高。

解决方案：

• 合理分配 slot： 在集群初始化时，尽量将 slot 均匀分配给各个节点。可以使用 redis-cli --cluster create 命令的 --cluster-replicas 选项指定复制因子，并让 Redis 自动分配 slot。
• 监控 key 的访问频率： 可以使用 Redis 的 MONITOR 命令或者第三方工具监控 key 的访问频率，找出热点 key。
• 手动迁移热点 key 所在的 slot： 将热点 key 所在的 slot 迁移到负载较低的节点。
• 使用 Key Hash Tag：Redis Cluster 支持 Key Hash Tag。Key Hash Tag 可以将一组相关的key强制分配到同一个slot。比如user:{user1}:name,user:{user1}:age这两个key都会被分配到同一个slot中。使用 Key Hash Tag 的好处是，可以将相关的 key 放在同一个节点上，方便进行批量操作。但是，如果 Hash Tag 使用不当，可能会导致数据倾斜。比如将所有的key都使用同一个Hash Tag，那么所有的数据都会被分配到同一个slot，失去了分布式的意义。

5. 迁移过程中出现节点故障

问题描述：

在 slot 迁移过程中，如果源节点或目标节点发生故障，可能会导致迁移中断，甚至数据丢失。

解决方案：

• 保证集群的高可用性： 确保 Redis Cluster 至少有三个主节点，并且每个主节点至少有一个从节点。这样，即使某个节点发生故障，集群仍然可以正常工作。

• 监控集群状态： 使用 Redis 的 CLUSTER NODES 命令或者第三方工具监控集群状态，及时发现并处理故障节点。

• 迁移前备份数据： 在进行 slot 迁移前，务必备份数据。可以使用 Redis 的 RDB 或 AOF 持久化机制进行备份。

• 断点续传：Redis本身并不直接支持slot迁移的断点续传。如果迁移过程中发生中断（如网络问题、节点故障等），通常需要重新开始迁移过程。但是，我们可以通过一些手段来模拟实现“断点续传”的效果:

  1. 记录已迁移的 Key：在迁移过程中，记录已经成功迁移的 Key。可以使用一个集合（Set）来存储已迁移 Key 的列表。如果迁移中断，可以从这个集合中获取已迁移的 Key，然后从剩下的 Key 开始继续迁移。

  2. 自定义迁移脚本：不直接使用Redis Cluster原生的slot迁移命令，而是编写自定义的脚本来控制迁移过程。脚本可以实现以下逻辑：

     • 扫描指定 slot 中的所有 Key。
     • 与已迁移 Key 列表进行对比，跳过已迁移的 Key。
     • 逐个迁移未迁移的 Key，并在迁移成功后将其添加到已迁移 Key 列表中。
     • 如果在迁移过程中发生错误，脚本可以记录错误信息，并在下次执行时从出错的地方继续。

6. 预分配 Slot 的技巧

在创建 Redis Cluster 时，可以通过 --cluster-config-file 选项指定一个配置文件。在这个配置文件中，可以手动指定每个节点负责的 slot 范围。这种方式可以实现 slot 的预分配，避免集群创建后的 slot 迁移。

预分配 slot 的一个常见场景是，已知业务数据的 key 分布规律，可以根据 key 的分布规律，将访问频率较高的 key 所在的 slot 分配给性能较好的节点。例如：

假设有 3 个节点 A、B、C，它们的性能依次递减。已知 key 的前缀为 user: 的访问频率较高，可以这样预分配 slot：

# 节点 A (192.168.1.1:7000)
0-5460
 
# 节点 B (192.168.1.2:7001)
5461-10922
 
# 节点 C (192.168.1.3:7002)
10923-16383

然后，通过 CRC16(key) % 16384 计算出 user: 前缀的 key 所在的 slot 范围，尽量将这些 slot 分配给节点 A。

这种方式需要对业务数据的 key 分布有深入的了解，并且需要手动维护配置文件，比较繁琐。但是，对于一些特定的场景，预分配 slot 可以显著提高集群的性能。

总结

Redis Cluster 的 slot 迁移是一个比较复杂的操作，需要谨慎对待。在进行 slot 迁移前，务必充分了解 Redis Cluster 的工作原理，并根据实际情况制定详细的迁移方案。在迁移过程中，密切监控集群状态，及时处理可能出现的问题。希望这篇文章能为你提供帮助，让你在 Redis Cluster 的 slot 迁移之路上少走弯路！

如果你还有其他关于 Redis Cluster 的问题，欢迎留言讨论。