Redis がデータシャーディング拡張機能を実装する方法

#Redis は、広く使用されているオープン ソースの Key-Value データベースであり、高パフォーマンス、低遅延、高同時実行性などの利点により開発者に好まれています。しかし、データ量が増加し続けると、単一ノード Redis ではビジネス ニーズを満たすことができなくなります。この問題を解決するために、Redis はデータの水平拡張を実現し、Redis 全体のパフォーマンスを向上させるデータ シャーディング機能を導入しました。

この記事では、Redis がデータ シャーディング拡張機能を実装する方法を紹介し、具体的なコード例を示します。

1. Redis データ シャーディングの原理

Redis データ シャーディングとは、複数の Redis インスタンス、つまり Redis クラスターにデータ セット (Key-Value など) を保存することを指します。は、異なるデータを担当する複数のノードに分割されます。具体的な実装方法は次のとおりです。

1. 一貫性のあるハッシュ アルゴリズムを使用する

一貫性のあるハッシュ アルゴリズムは、データを複数のノードに均等に分散でき、各ノードは次のことを担当します。データが多すぎても少なすぎてもいけません。新しいノードを追加する場合、データのバランスを完了するには少量のデータ移行のみが必要です。

2. 仮想ノードの追加

ノードの負荷の不均衡や単一障害点を防ぐために、複数の仮想ノードを各物理ノードに追加し、これらの仮想ノードをデータがさまざまな物理ノードにより均等に分散されるようにデータを収集します。

2. Redis データ シャーディングの実装

Redis がデータ シャーディング機能を実装するための具体的な手順は次のとおりです:

1. Redis クラスターの作成

Redis クラスター ツールを使用すると、Redis クラスターを簡単かつ迅速に作成できるため、ここでは詳しく説明しません。

2. 一貫したハッシュ アルゴリズムを使用する

Redis は、一貫したハッシュ アルゴリズムに従ってデータをさまざまなノードに割り当てることができるハッシュ スロット アロケーターを提供します。例は次のとおりです :

hash_slot_cnt = 16384  # hash槽数量

def get_slot(s):
    return crc16(s) % hash_slot_cnt  # 根据字符串s计算其hash槽

class RedisCluster:
    def __init__(self, nodes):
        self.nodes = nodes  # 节点列表
        self.slot2node = {}

        for node in self.nodes:
            for slot in node['slots']:
                self.slot2node[slot] = node

    def get_node(self, key):
        slot = get_slot(key)
        return self.slot2node[slot]  # 根据key获取节点

3. 仮想ノードの追加

単一ノードのクラッシュや過負荷を防ぐために、仮想ノードを使用できます。例は次のとおりです。

virtual_node_num = 10  # 每个实际节点添加10个虚拟节点

class RedisCluster:
    def __init__(self, nodes):
        self.nodes = nodes
        self.slot2node = {}

        for node in self.nodes:
            for i in range(virtual_node_num):
                virtual_slot = crc16(node['host'] + str(i)) % hash_slot_cnt
                self.slot2node[virtual_slot] = node

    def get_node(self, key):
        slot = get_slot(key)
        return self.slot2node[slot]

4. データ移行

#新しいノードがクラスターに参加したり、古いノードがクラスターから離脱したりする場合、データ移行を実行する必要があります。元々古いノードに割り当てられていたデータを新しいノードに再配布します。例は次のとおりです:

def migrate_slot(from_node, to_node, slot):
    if from_node == to_node:  # 节点相同，不需要进行迁移
        return

    data = from_node['client'].cluster('getkeysinslot', slot, 10)
    print('migrate %d keys to node %s' % (len(data), to_node['host']))

    if data:
        to_node['client'].migrate(to_node['host'], hash_slot_cnt, '', 0, 1000, keys=data)

3. 完全なコード例

以下は、Redis がデータ シャーディング拡張機能を実装するための完全なコード例です:

import redis

hash_slot_cnt = 16384  # hash槽数量
virtual_node_num = 10  # 每个实际节点添加10个虚拟节点

def get_slot(s):
    return crc16(s) % hash_slot_cnt

def migrate_slot(from_node, to_node, slot):
    if from_node == to_node:
        return

    data = from_node['client'].cluster('getkeysinslot', slot, 10)
    print('migrate %d keys to node %s' % (len(data), to_node['host']))

    if data:
        to_node['client'].migrate(to_node['host'], hash_slot_cnt, '', 0, 1000, keys=data)

class RedisCluster:
    def __init__(self, nodes):
        self.nodes = nodes
        self.slot2node = {}

        for node in self.nodes:
            for i in range(virtual_node_num):
                virtual_slot = crc16(node['host'] + str(i)) % hash_slot_cnt
                self.slot2node[virtual_slot] = node

    def get_node(self, key):
        slot = get_slot(key)
        return self.slot2node[slot]

    def add_node(self, node):
        self.nodes.append(node)

        for i in range(virtual_node_num):
            virtual_slot = crc16(node['host'] + str(i)) % hash_slot_cnt
            self.slot2node[virtual_slot] = node

        for slot in range(hash_slot_cnt):
            if self.slot2node[slot]['host'] == node['host']:
                migrate_slot(self.slot2node[slot], node, slot)

    def remove_node(self, node):
        self.nodes.remove(node)

        for i in range(virtual_node_num):
            virtual_slot = crc16(node['host'] + str(i)) % hash_slot_cnt
            del self.slot2node[virtual_slot]

        for slot in range(hash_slot_cnt):
            if self.slot2node[slot]['host'] == node['host']:
                new_node = None

                for i in range(len(self.nodes)):
                    if self.nodes[i]['host'] != node['host'] and self.nodes[i]['slots']:
                        new_node = self.nodes[i]
                        break

                if new_node:
                    migrate_slot(node, new_node, slot)
                else:
                    print('no new node for slot %d' % slot)

if __name__ == '__main__':
    nodes = [
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7000, 'slots': [0, 1, 2]},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7001, 'slots': [3, 4, 5]},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7002, 'slots': [6, 7, 8]},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7003, 'slots': []},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7004, 'slots': []},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7005, 'slots': []},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7006, 'slots': []},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7007, 'slots': []},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7008, 'slots': []},
        {'host': '127.0.0.1', 'port': 7009, 'slots': []},
    ]

    clients = []
    for node in nodes:
        client = redis.Redis(host=node['host'], port=node['port'])
        node['client'] = client
        clients.append(client)

    cluster = RedisCluster(nodes)

    for key in range(100):
        node = cluster.get_node(str(key))
        node['client'].set('key_%d' % key, key)

    cluster.add_node({'host': '127.0.0.1', 'port': 7010, 'slots': []})

    for key in range(100, 200):
        node = cluster.get_node(str(key))
        node['client'].set('key_%d' % key, key)

    cluster.remove_node(nodes[-1])

上記は、コードは Redis クラスターを作成します。新しいノードが追加され、古いノードが削除され、データとデータ移行のバランスのとれた分散が示されます。

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