Как стать автором
Обновить
60.21
Рейтинг
Wunder Fund
Мы занимаемся высокочастотной торговлей на бирже

Разбираемся с Redis

Блог компании Wunder Fund Разработка веб-сайтов *Администрирование баз данных *Хранение данных *
Перевод
Автор оригинала: Mahdi Yusuf

Этот материал представляет собой глубокое исследование всего, что связано с Redis. В частности — речь пойдёт о различных способах организации хранилищ Redis, о постоянном хранении данных, о форках процессов.

Что такое Redis?

Redis (Remote Dictionary Service) — это опенсорсный сервер баз данных типа ключ-значение.

Точнее всего описать Redis можно, сказав, что это — сервер структур данных. Уникальные особенности сервера Redis стали основной причиной его популярности и того, что он применяется во множестве реальных проектов.

Вместо того чтобы работать со строками базы данных, перебирать, сортировать, упорядочивать их, что если информация с самого начала будет находиться в структурах данных, которые нужны программисту? Первое время Redis использовали практически так же, как Memcached. Но, по мере развития Redis, эта система управления базами данных (СУБД) нашла применение и во многих других ситуациях. В частности — в реализациях механизма издатель/подписчик, в задачах потоковой обработки данных, в системах, где нужно работать с очередями.

Типы данных Redis
Типы данных Redis

Вот какие типы данных поддерживает Redis:

  • Строка (String)

  • Битовый массив (Bitmap)

  • Битовое поле (Bitfield)

  • Хеш-таблица (Hash)

  • Список (List)

  • Множество (Set)

  • Упорядоченное множество (Sorted set)

  • Геопространственные данные (Geospatial)

  • Структура HyperLogLog (HyperLogLog)

  • Поток (Stream)

Redis — это база данных, размещаемая в памяти, которая используется, в основном, в роли кеша, находящегося перед другой, «настоящей» базой данных, вроде MySQL или PostgreSQL. Кеш, основанный на Redis, помогает улучшить производительность приложений. Он эффективно использует скорость работы с данными, характерную для памяти, и смягчает нагрузку центральной базы данных приложения, связанную с обработкой следующих данных:

  • Данные, которые редко меняются, к которым часто обращается приложение.

  • Данные, не относящиеся к критически важным, которые часто меняются.

Примеры таких данных могут включать в себя сессионные кеши или кеши данных, а так же содержимое панелей управления — вроде списков лидеров и отчётов, включающих в себя данные, агрегированные из разных источников.

Традиционный подход к использованию Redis выглядит следующим образом: клиент обращается к приложению, а оно получает необходимые для выполнения его запроса данные. Сначала (пункт 1 на рисунке) приложение обращается к кешу Redis представленному главной базой данных (Main). Если данные в кеше есть, произошло попадание кеша, выполняется обычный возврат данных. Если произошёл промах кеша (пункт 2), система обращается к постоянному хранилищу (в данном случае — базе данных MySQL). Данные из него (пункт 3) загружаются в кеш, после чего ими сможет воспользоваться приложение.
Традиционный подход к использованию Redis выглядит следующим образом: клиент обращается к приложению, а оно получает необходимые для выполнения его запроса данные. Сначала (пункт 1 на рисунке) приложение обращается к кешу Redis представленному главной базой данных (Main). Если данные в кеше есть, произошло попадание кеша, выполняется обычный возврат данных. Если произошёл промах кеша (пункт 2), система обращается к постоянному хранилищу (в данном случае — базе данных MySQL). Данные из него (пункт 3) загружаются в кеш, после чего ими сможет воспользоваться приложение.

Но во многих случаях Redis гарантирует достаточно высокий уровень сохранности данных, что позволяет использовать эту СУБД в роли настоящей основной базы данных. А добавление в систему плагинов Redis и различных конфигураций высокой доступности (High Availability, HA) делает базу данных Redis крайне интересной для определённых сценариев использования и рабочих нагрузок.

Ещё одна важная особенность Redis заключается в том, что эта СУБД размывает границы между кешем и хранилищем данных. Тут важно понять то, что чтение данных из памяти и работа с данными, находящимися в памяти, гораздо быстрее чем те же операции, выполняемые традиционными СУБД, использующими обычные жёсткие диски (HDD) или твердотельные накопители (SSD).

Временные характеристики задержек и пропускной способности систем, о которых стоит знать каждому программисту.
Временные характеристики задержек и пропускной способности систем, о которых стоит знать каждому программисту.

Изначально Redis чаще всего сравнивали с Memcached, с системой, в которой тогда не было и намёка на долговременное хранение данных.

Хранилище Memcached создал в 2003 году Брэд Фицпатрик. Оно появилось на 6 лет раньше Redis. Сначала это был Perl-проект, а позже его переписали на C. В своё время Memcached был стандартным инструментом кеширования. Главные различия между ним и Redis заключаются в том, что в Memcached имеется меньше типов данных, и в ограничениях, связанных с политикой вытеснения ключей. Memcached поддерживает лишь политику LRU (Least Recently Used), когда первыми вытесняются данные, которые не использовались дольше всех.

Ещё одно отличие этих хранилищ заключается в том, что Redis — это однопоточная система, а Memcached — многопоточная. Memcached может показывать отличные результаты производительности в ограниченных окружениях кеширования. А при использовании этой системы в распределённом кластере нужны дополнительные настройки. Redis же поддерживает подобные сценарии работы сразу после установки.

В следующей таблице приведены сведения об актуальных в наши дни различиях между Memcached и Redis.

Характеристика

Memcached

Redis

Задержки менее миллисекунды

Да

Да

Простота использования для разработчиков

Да

Да

Секционирование данных

Да

Да

Поддержка широкого набора языков программирования

Да

Да

Продвинутые структуры данных

Нет

Да

Многопоточная архитектура

Да

Нет

Снепшоты

Нет

Да

Репликация

Нет

Да

Транзакции

Нет

Да

Поддержка модели «издатель/подписчик»

Нет

Да

Поддержка Lua-скриптов

Нет

Да

Поддержка геопространственных данных

Нет

Да

В наши дни Redis поддерживает настройку того, как именно данные сохраняются на диск. А в самом начале эта система использовала снепшоты, когда асинхронные копии данных, находящихся в памяти, отправляли на диск для долговременного хранения. К сожалению, у этого механизма имеется недостаток, выражающийся в возможной потере данных, изменённых или добавленных в хранилище на временных интервалах между снепшотами.

Хранилище Redis, с момента его появления в 2009 году, серьёзно развилось. Мы рассмотрим большую часть архитектурных и топологических решений, характерных для Redis, что позволит вам, изучив эту систему, включить её в состав своего арсенала систем хранения данных.

Архитектура Redis

Прежде чем мы начнём разговор о внутренних механизмах Redis — рассмотрим различные варианты развёртывания этого хранилища и обсудим компромиссы, на которые приходится идти тем, кто выбирает тот или иной вариант.

Мы, в основном, уделим внимание следующим конфигурациям:

  • Единственный экземпляр Redis.

  • Redis HA.

  • Redis Sentinel.

  • Redis Cluster.

Вы можете выбрать ту или иную конфигурацию в зависимости от особенностей вашего проекта и его масштабов.

Единственный экземпляр Redis

Простой вариант развёртывания Redis, представленный единственной главной (Main) базой данных.
Простой вариант развёртывания Redis, представленный единственной главной (Main) базой данных.

Самый простой вариант развёртывания Redis — это использование одного экземпляра системы. При таком подходе в распоряжении пользователя оказывается небольшое хранилище, которое поможет проекту расти и развиваться и ускорит сервисы этого проекта. Но у такого способа использования Redis есть и недостатки. Например, если используемый в проекте экземпляр Redis даст сбой или окажется недоступным — все обращения клиентов к Redis окажутся неудачными, в результате упадёт общая производительность и скорость работы системы.

Если дать экземпляру Redis достаточно памяти и серверных ресурсов, этот экземпляр может оказаться довольно-таки мощной сущностью. Такой подход, в основном, используется для кеширования, позволяет, потратив минимум сил и времени на настройку системы, получить серьёзный рост производительности проекта. При наличии достаточных серверных ресурсов развернуть подобный сервис Redis можно на той же машине, на которой работает основное приложение.

Для обеспечения успешной работы с Redis важно понимать некоторые концепции этой системы, связанные с управлением данными. Запросы, поступающие к базе данных Redis, обрабатываются путём работы с данными, хранящимися в памяти. Если используемый экземпляр Redis предусматривает применение постоянного хранения данных, в системе будет форк процесса. Он использует RDB (Redis Database, база данных Redis) для организации постоянного хранения снепшотов (снимков) данных. Это — весьма компактное представление данных Redis на определённый момент времени. Вместо RDB могут использоваться файлы, предназначенные только для добавления данных (Append-Only File, AOF).

Эти два механизма позволяют Redis иметь долговременное хранилище данных, поддерживать различные стратегии репликации, помогают реализовывать на базе Redis более сложные топологии. Если сервер Redis не настроен на постоянное хранение данных, то, при перезагрузке или сбое системы, данные теряются. Если же постоянное хранение включено, то при перезагрузке системы осуществляется загрузка в память данных из снепшота RDB или из AOF. После этого экземпляр Redis сможет обрабатывать запросы клиентов.

Учитывая вышесказанное — рассмотрим конфигурации Redis, которые характеризуются, так сказать, большей распределённостью, чем рассмотренная.

Redis HA

Конфигурация высокой доступности. В состав системы входят главная база данных (Main), ведущий узел, и второстепенная база данных (Secondary) — подчинённый узел. Состояние узлов синхронизируется посредством репликации.
Конфигурация высокой доступности. В состав системы входят главная база данных (Main), ведущий узел, и второстепенная база данных (Secondary) — подчинённый узел. Состояние узлов синхронизируется посредством репликации.

Ещё одна популярная конфигурация Redis представляет собой систему, состоящую из ведущего и подчинённого узлов, состояние которых синхронизируется посредством репликации. По мере того, как данные записываются в ведущем экземпляре Redis, копии соответствующих команд отправляются в выходной буфер для подчинённых узлов, что обеспечивает выполнение репликации данных. В состав подчинённых узлов может входить один или большее количество экземпляров Redis. Эти экземпляры способны помочь в масштабировании операций чтения данных или обеспечить отказоустойчивость системы при потере связи с ведущим узлом.

«Высокая доступность» (HA, High Availability) — это характеристика системы, которая нацелена на обеспечение согласованного уровня показателей её деятельности (обычно — времени безотказной работы системы) на временных интервалах, превышающих средние.

В системах высокой доступности важно отсутствие единой точки отказа. Это позволяет им корректно и быстро восстанавливать нормальную работу после сбоев. Конфигурации высокой доступности предусматривают наличие надёжных линий связи, что исключает потерю данных при их передаче от ведущего узла к подчинённому. Кроме того, в таких системах осуществляется автоматическое обнаружение сбоев и восстановление после них.

Так как теперь мы перешли к распределённым системам, с которыми связано множество заблуждений, нам нужно ознакомиться с несколькими новыми понятиями. То, что раньше было простым и ясным, теперь становится сложнее.

Репликация данных в Redis

Каждый ведущий узел Redis имеет идентификатор (ID) и смещение репликации. Эти два показателя чрезвычайно важны для того, чтобы выяснить момент времени, когда подчинённый узел может продолжать процесс репликации, или чтобы определить, что необходимо выполнить полную синхронизацию данных. Смещение инкрементируется при выполнении любого действия, которое происходит в ведущем узле Redis.

Replication ID, offset

Если описать это более конкретно, то окажется, что когда подчинённый узел Redis отстаёт лишь на несколько шагов смещения от ведущего узла, он получает оставшиеся необработанными команды от ведущего узла, эти команды применяются к данным, так происходит до момента синхронизации узлов. Если два экземпляра не могут договориться об ID репликации, или ведущий узел не имеет сведений о смещении, подчинённый узел запрашивает полную синхронизацию данных. Сюда входит создание ведущим узлом нового снепшота RDB и отправка его подчинённому узлу. В процессе передачи этих данных ведущий узел буферизует промежуточные обновления данных, произошедшие между моментом создания снепшота и текущим моментом. Эти обновления будут отправлены подчинённому узлу после того, как он синхронизируется со снепшотом. После завершения этого процесса репликация может продолжаться в обычном режиме.

Если у разных экземпляров Redis имеются одинаковые ID и смещение, это значит, что они хранят в точности одни и те же данные. Тут может появиться вопрос о том, почему в Redis используется ID репликации. Дело в том, что когда уровень экземпляра Redis повышается до ведущего узла, или если экземпляр сразу запускается как ведущий, ему назначается новый ID репликации. Он используется для выяснения того, какой экземпляр Redis был до этого ведущим. А именно, выясняется то, из какого экземпляра раньше копировал данные узел, уровень которого был только что повышен. Это даёт возможность выполнения частичной синхронизации (с другими подчинёнными узлами), так как новый ведущий узел помнит свой старый ID репликации.

Например, два экземпляра Redis, ведущий и подчинённый, имеют один и тот же ID репликации, а их смещения отличаются на несколько сотен команд. То есть — если на «отстающем» экземпляре воспроизвести соответствующие команды, в распоряжении обоих экземпляров будет идентичный набор данных. Предположим, что ID репликации экземпляров различаются и нам неизвестен предыдущий ID (у экземпляров нет общего предка) узла, уровень которого недавно понижен до подчинённого (он подключён к ведущему узлу). В такой ситуации нужно выполнить ресурсозатратную операцию полной синхронизации данных.

С другой стороны, если предыдущий ID репликации известен — мы можем подумать о том, как синхронизировать данные двух узлов. Так как нам известен общий предок узлов, это значит, что они хранят общие данные, а значит, воспользовавшись смещением, мы можем провести частичную синхронизацию данных.

Redis Sentinel

Развёртывание системы с использованием Redis Sentinel. В состав такого развёртывания входят Sentinel-узлы, ведущий узел и подчинённые узлы.
Развёртывание системы с использованием Redis Sentinel. В состав такого развёртывания входят Sentinel-узлы, ведущий узел и подчинённые узлы.

Redis Sentinel — это сервис, обеспечивающий создание распределённых систем. И, как и в случае со всеми распределёнными системами, у Sentinel имеются и сильные, и слабые стороны. В основе Sentinel лежит кластер Sentinel-процессов, работающих совместно. Они координируют состояние системы, реализуя конфигурацию высокой доступности Redis. Sentinel — это сервис, защищающий хранилище Redis от сбоев. Поэтому логично то, чтобы этот сервис не имел бы единой точки отказа.

Сервис Sentinel решает несколько задач. Во-первых — он обеспечивает работоспособность и доступность текущих ведущих и подчинённых узлов. Благодаря этому текущий Sentinel-процесс (вместе с другими подобными процессами) может отреагировать на ситуацию, когда теряется связь с ведущими и/или подчинёнными узлами. Во-вторых — он играет определённую роль в деле обнаружения сервисов. Похожим образом в других системах работают Zookeeper и Consul. То есть — когда новый клиент пытается что-то записать в хранилище Redis, Sentinel сообщит клиенту о том, какой экземпляр Redis в этот момент является ведущим.

Получается, что узлы Sentinel постоянно мониторят доступность экземпляров Redis и отправляют сведения о них клиентам, что позволяет клиентам предпринимать определённые действия в тех случаях, когда хранилище даёт сбой.

Вот какие функции выполняют узлы Sentinel:

  1. Мониторинг. Обеспечение того, что ведущие и подчинённые узлы работают так, как ожидается.

  2. Отправка уведомлений администраторам. Система отправляет администраторам уведомления о происшествиях в экземплярах Redis.

  3. Управление восстановлением системы после отказа. Узлы Sentinel могут запустить процесс восстановления системы после сбоя в том случае, если ведущий экземпляр Redis недоступен и достаточное количество (кворум) узлов согласно с тем, что это так.

  4. Управление конфигурацией. Узлы Sentinel, кроме того, играют роль системы, позволяющей обнаруживать текущий ведущий экземпляр Redis.

Использование Redis Sentinel для решения вышеописанных задач позволяет обнаруживать сбои Redis. Процедура обнаружения сбоя включает в себя получение согласия нескольких узлов Sentinel с тем, что текущий ведущий экземпляр Redis недоступен. Процесс получения такого согласия называют кворумом (quorum). Это позволяет повысить надёжность системы, защититься от ситуаций, когда один из процессов ведёт себя неправильно и не может подключиться к ведущему узлу Redis.

Кворум — это минимальное число голосов, которое нужно получить распределённой системе для того, чтобы ей было бы позволено выполнять определённые операции, наподобие восстановления после сбоя. Это число поддаётся настройке, но оно должно отражать количество узлов в рассматриваемой распределённой системе. Размеры большинства распределённых систем равняются трём или пяти узлам, в них, соответственно, кворум равен двум или трём голосам. Нечётные количества узлов предпочтительны в случаях, когда системе необходимо разрешать неоднозначности.

У Redis Sentinel есть и недостатки. Поэтому мы рассмотрим несколько рекомендаций и практических советов, касающихся этого сервиса.

Redis Sentinel можно развернуть несколькими способами. Честно говоря, чтобы дать какие-то адекватные рекомендации, мне нужны подробности о той системе, в составе которой планируется использовать Redis Sentinel. В качестве общего правила я посоветовал бы запускать узел Sentinel вместе с каждым из серверов приложения (если это возможно). Это позволит не обращать внимания на различия, связанные с сетевыми подключениями узлов Sentinel и клиентов, которые используют Redis.

Sentinel можно запустить и на тех же машинах, на которых работают экземпляры Redis, или даже в виде независимых узлов, но это, в различных формах, усложняет ситуацию. Рекомендую применять как минимум три узла с кворумом, как минимум, из двух. Вот простая таблица, в которой описано количество серверов в кластере, даны сведения о кворуме и о количестве допустимых отказов.

Количество серверов

Кворум

Количество допустимых отказов

1

1

0

2

2

0

3

2

1

4

3

1

5

3

2

6

4

2

7

4

3

Подобные показатели будут, от системы к системе, различаться, но общая идея остаётся подобной той, что выражена в таблице.

Подумаем о том, что может пойти не так в системе, в которой используется Sentinel. Если такая система будет работать достаточно долго — можно столкнуться со всеми этими проблемами.

  1. Что если узлы Sentinel выйдут из состава кворума?

  2. Что если сеть разделится и старый ведущий экземпляр Redis окажется в меньшей группе узлов Sentinel? Что произойдёт с данными, записанными в этот экземпляр Redis? (Подсказка: эти данные, после полного восстановления системы, будут утеряны.)

  3. Что произойдёт, если сетевые топологии узлов Sentinel и клиентских узлов (узлов приложения) окажутся несогласованными?

У нас нет гарантий устойчивости системы, особенно учитывая то, что операции по сохранению данных на диск (об этом — ниже) выполняются асинхронно. Тут ещё имеется неприятная проблема, связанная с тем, когда именно клиенты узнают о появлении новых ведущих узлов. Сколько команд записи данных уйдут в никуда, будучи отправленными в ситуации, когда новый ведущий узел неизвестен? Разработчики Redis рекомендуют запрашивать сведения о новом ведущем узле при установлении новых соединений. Это, что зависит от конфигурации системы, может приводить к серьёзным потерям данных.

Есть несколько способов уменьшить масштабы потерь данных в том случае, если принудить ведущий экземпляр Redis к репликации операций записи на как минимум один подчинённый экземпляр. Помните о том, что репликация в Redis выполняется асинхронно, и что у неё есть свои недостатки. Поэтому понадобится независимо отслеживать подтверждения получения данных, а если не удастся получить подтверждение от хотя бы одного подчинённого узла, главный узел должен прекратить принимать запросы на запись данных.

Redis Cluster

Кластер Redis. Клиенты выполняют операции чтения/записи, взаимодействуя с ведущими (M1, M2, M3) узлами Redis. Между ведущими и подчинёнными (S1, S2, S3) выполняется репликация данных. Другие клиенты, обращаясь к подчинённым узлам, выполняют операции чтения данных. Для определения общего состояния кластера используется протокол Gossip.
Кластер Redis. Клиенты выполняют операции чтения/записи, взаимодействуя с ведущими (M1, M2, M3) узлами Redis. Между ведущими и подчинёнными (S1, S2, S3) выполняется репликация данных. Другие клиенты, обращаясь к подчинённым узлам, выполняют операции чтения данных. Для определения общего состояния кластера используется протокол Gossip.

Уверен, что многие размышляют о том, как быть в том случае, если не получится хранить все необходимые данные в памяти на одной машине. В наши дни максимальный объём оперативной памяти, доступный на одном сервере, составляет 24 ТиБ, такие конфигурации есть в AWS. Понятно, что это много, но некоторым системам этого не хватит даже для организации кеша.

Redis Cluster позволяет горизонтально масштабировать хранилища Redis.

По мере роста некоей системы её владелец может выбрать один из следующих трёх вариантов действий:

  1. Меньше работать (никто так не поступает, потому что мы — ненасытные монстры).

  2. Повышать мощность отдельных компьютеров.

  3. Распределять нагрузку на большее количество небольших компьютеров.

Серьёзно мы отнесёмся лишь к двум последним пунктам этого списка. Они, соответственно, известны как вертикальное и горизонтальное масштабирование. При вертикальном масштабировании для ускорения работы системы используют более продвинутые компьютеры, надеясь, что возросшая вычислительная мощность позволит успешно справляться с растущей нагрузкой. Но, даже если на первых порах ожидания и оправдаются, в итоге тот, кто пользуется вертикальным масштабированием, столкнётся с ограничениями аппаратного обеспечения.

После того, как вертикальное масштабирование себя исчерпало (а скорее всего, хочется надеяться, задолго до этого), нужно будет обратиться к горизонтальному масштабированию. Это — распределение нагрузки по множеству небольших машин, ответственных за решение небольших подзадач одной большой задачи.

Разберёмся с терминологией. После того, как мы решили использовать Redis Cluster, это будет значить, что мы решили распределить хранимые нами данные по множеству машин. Это называют шардингом. В результате каждый экземпляр Redis, входящий в состав кластера, считается хранилищем шарда, или фрагмента, всех данных.

Такой подход вызывает к жизни новую проблему. Если отправить в кластер данные — как узнать о том, какой именно экземпляр Redis (шард) хранит эти данные? Есть несколько способов это сделать. Redis Cluster использует алгоритмический шардинг.

Для того чтобы найти шард для заданного ключа, мы хешируем ключ, а результат делим по модулю на количество шардов. Затем, используя детерминистическую хеш-функцию (благодаря этому конкретный ключ всегда будет соответствовать одному и тому же шарду), мы, когда нужно будет прочитать соответствующие данные, сможем узнать о том, где именно они хранятся.

Что произойдёт, если через некоторое время в систему будет добавлен новый шард? А произойдёт то, что называют решардингом.

Исходя из предположения о том, что ключ foo был назначен шарду 0, он, после решардинга, может быть назначен шарду 5. Но перемещение данных ради того, чтобы их размещение соответствовало бы новой конфигурации шардов, окажется медленной и нереалистичной задачей в том случае, если мы хотим, чтобы операции по увеличению хранилища выполнялись бы быстро. Такое перемещение данных, кроме того, окажет негативное влияние на доступность Redis Cluster.

В рамках Redis Cluster создан механизм, направленный на решение этой проблемы. Это — так называемые «хеш-слоты», в которые и отправляют данные. Имеется около 16 тысяч таких слотов. Это даёт нам адекватный способ распределения данных по кластеру, а при добавлении новых шардов нужно просто переместить в системе хеш-слоты. Поступая так, нам нужно лишь перемещать хеш-слоты из шарда в шард и упростить процесс добавления новых ведущих экземпляров Redis в кластер.

Сделать это можно без простоев системы и с минимальным воздействием на её производительность. Рассмотрим пример.

Узел M1 содержит хеш-слоты с 0 по 8191.

Узел M2 содержит хеш-слоты с 8192 по 16383.

Назначая хеш-слот ключу foo, мы вычисляем детерминистический хеш от ключа (foo) и делим по модулю на количество хеш-слотов (16383). В результате данные, соответствующие этому ключу, попадают на узел M2. Теперь, предположим, мы добавляем в систему новый узел — M3. Новое соответствие узлов и хеш-слотов будет таким:

Узел M1 содержит хеш-слоты с 0 по 5460.

Узел M2 содержит хеш-слоты с 5461 по 10922.

Узел M3 содержит хеш-слоты с 10923 по 16383.

Все ключи, которые попали в хеш-слоты узла M1, теперь принадлежащие узлу M2, понадобилось бы перенести. Но соответствие отдельных ключей и хеш-слотов сохраняется, так как ключи уже распределены по хеш-слотам. Таким образом данный механизм решает проблему решардинга при использовании алгоритмического шардинга.

Протокол Gossip

Redis Cluster использует протокол Gossip для определения общего состояния кластера. На вышеприведённой иллюстрации имеется 3 ведущих (M) узла и 3 подчинённых (S) узла. Все эти узлы постоянно обмениваются друг с другом информацией для того чтобы знать о том, какие шарды доступны и готовы обрабатывать запросы. Если достаточное количество шардов согласно с тем, что узел M1 не отвечает на запросы, они могут решить повысить S1 — подчинённый узел узла M1, до уровня ведущего узла, чтобы поддержать кластер в работоспособном состоянии. Количество узлов, необходимое для запуска подобной процедуры, поддаётся настройке. Очень важно правильно выполнить подобную настройку. Если сделать что-то не так, можно оказаться в ситуации, когда кластер окажется разделённым на части в том случае, если он не сможет разрешить неоднозначную ситуацию, когда «за» и «против» голосует одинаковое количество систем. Этот феномен называют «split brain» (разделение вычислительных мощностей). Поэтому, в качестве общего правила, важно, чтобы в кластере было бы нечётное количество ведущих узлов, у каждого из которых имеется два подчинённых узла. Это послужит хорошей основой для построения надёжной системы.

Модели постоянного хранения данных в Redis

Если в Redis планируется размещать какие-либо данные в расчёте на их надёжное постоянное хранение, важно понимать то, как именно это организовано в Redis. Существует множество ситуаций, когда потеря данных, хранящихся в Redis — это не такая уж и катастрофа. Например — использование Redis в роли кеша, или в ситуациях, когда в Redis хранятся данные некоей аналитической системы реального времени.

В других случаях разработчикам нужны некие гарантии относительно постоянного хранения данных и возможности их восстановления.

Redis — быстрое хранилище, а все гарантии относительно целостности данных второстепенны в сравнении со скоростью. Это, вероятно, спорная тема, но, на самом деле, так оно и есть.

Модели постоянного хранения данных в Redis. Данные из памяти копируются либо в RDB, в виде снепшотов, либо в AOF. Если экземпляр Redis отказал, но данные этого экземпляра были помещены в постоянное хранилище, эти данные загружаются в новый экземпляр Redis.
Модели постоянного хранения данных в Redis. Данные из памяти копируются либо в RDB, в виде снепшотов, либо в AOF. Если экземпляр Redis отказал, но данные этого экземпляра были помещены в постоянное хранилище, эти данные загружаются в новый экземпляр Redis.

Постоянное хранение данных не используется

Если нужно — постоянное хранение данных можно отключить. Это — конфигурация, при использовании которой Redis работает быстрее всего, но при этом не гарантируется надёжное хранение данных.

RDB-файлы

Постоянное хранение данных в файлах RDB подразумевает создание снепшотов, содержащих данные, актуальные на определённые моменты времени. Снепшоты создаются с заданными временными интервалами.

Главный минус этого механизма заключается в том, что данные, поступившие в хранилище между моментами создания снепшотов, будут, при сбое Redis, утеряны. Кроме того, этот механизм хранения данных полагается на создание форка главного процесса. При работе с большими наборами данных это может привести к кратковременным задержкам в обработке запросов. Но, при этом, RDB-файлы загружаются в память гораздо быстрее, чем AOF.

AOF

Механизм постоянного хранения данных, основанный на AOF, осуществляет журналирование каждой операции записи, запрос на выполнение которой получает сервер. Эти операции будут воспроизведены при запуске сервера, что приведёт к воссозданию исходного набора данных.

Такой подход к постоянному хранению данных гораздо надёжнее RDB. Ведь речь идёт не о снимках состояния хранилища, а о файлах, рассчитанных только на присоединение к ним данных. Когда происходят операции, их буферизуют в журнале, но они не оказываются сразу после этого размещёнными в постоянном хранилище. В журнале содержатся реальные команды, которые, если нужно восстановить данные, запускают в том порядке, в котором они выполнялись.

Затем, когда это возможно, журнал сбрасывают на диск с помощью fsync (то, когда именно запускается этот процесс, поддаётся настройке). После этого данные оказываются в постоянном хранилище. Минус этого подхода в том, что такой формат хранения данных не является компактным, он требует больше места на диске, чем RDB-файлы.

Вызов fsync() переносит («сбрасывает») все модифицированные данные из памяти (то есть — модифицированные страницы файлового буфера), имеющие отношение к файлу, представленному файловым дескриптором fd, на дисковое устройство (или на другое устройство для постоянного хранения информации). В результате вся изменённая информация может быть восстановлена даже после серьёзного сбоя или перезагрузки системы.

По разным причинам изменения, которые вносят в открытый файл, сначала попадают в кеш, а вызов fsync() гарантирует то, что они будут физически сохранены на диск, то есть — позже их можно будет с диска прочитать.

Почему бы не использовать и RDB, и AOF?

Можно скомбинировать AOF и RDB в одном и том же экземпляре Redis. Если надёжность хранения данных в обмен на некоторое снижение скорости вас устраивает — можно так и поступить. Полагаю, что это — приемлемый способ использования Redis. Но при этом, если система будет перезагружена, помните о том, что для восстановления данных Redis будет использовать AOF, так как в этом хранилище находится более полная версия данных.

Создание форков процессов Redis

Теперь, когда мы разобрались с механизмами организации постоянного хранения данных в Redis, поговорим о том, как это делается в однопоточном приложении наподобие Redis.

Создание форка процесса Redis. Снепшот содержит данные, актуальные на определённый момент времени. После создания форка данные копируются на диск.
Создание форка процесса Redis. Снепшот содержит данные, актуальные на определённый момент времени. После создания форка данные копируются на диск.

Полагаю, что самое приятное в Redis — это то, как тут используется создание форков и копирование при записи для реализации высокопроизводительного копирования данных в постоянное хранилище.

Форк — это когда операционная система, по команде, вызванной неким процессом, создаёт новый процесс, копируя родительский процесс. В результате в нашем распоряжении оказывается новый ID процесса и ещё некоторые полезные сведения. При этом только что созданный форк процесса (процесс-потомок) может взаимодействовать с процессом-родителем.

А вот теперь начинается самое интересное. Redis — это процесс, которому выделено огромное количество памяти. Как скопировать такой процесс и не столкнуться с нехваткой памяти?

Когда создают форк процесса — процесс-родитель и процесс-потомок используют память совместно. Redis начинает процесс создания снепшота в процессе-потомке. Это возможно благодаря технике совместного использования памяти, называемой «копирование при записи». При этом во время создания форка память не выделяется, используются ссылки на уже выделенную память. Если, во время сброса данных дочерним процессом на диск, ничего в памяти не менялось, новая память выделяться не будет.

В том случае, если изменения были, происходит следующее. Ядро операционной системы отслеживает ссылки на каждую страницу памяти. Если на некую страницу имеется больше одной ссылки — изменения записываются в новые страницы. Процесс-потомок ничего не знает об изменениях, в его распоряжении имеется стабильный снимок памяти. В результате для создания форка процесса используется лишь небольшой объём памяти. Мы можем быстро и эффективно создавать снепшоты, отражающие состояние хранилища на некий момент времени, размеры которых могут достигать многих гигабайтов.

Итоги

Мы рассмотрели различные вопросы, которые касаются быстрого хранилища данных Redis, использующего оперативную память. Если вы раньше с этим хранилищем не работали, но, ознакомившись с его возможностями, поняли, что оно вам может пригодиться — рекомендуем заглянуть на сайт проекта и опробовать Redis в деле.

О, а приходите к нам работать? 🤗 💰

Мы в wunderfund.io занимаемся высокочастотной алготорговлей с 2014 года. Высокочастотная торговля — это непрерывное соревнование лучших программистов и математиков всего мира. Присоединившись к нам, вы станете частью этой увлекательной схватки.

Мы предлагаем интересные и сложные задачи по анализу данных и low latency разработке для увлеченных исследователей и программистов. Гибкий график и никакой бюрократии, решения быстро принимаются и воплощаются в жизнь.

Сейчас мы ищем плюсовиков, питонистов, дата-инженеров и мл-рисерчеров.

Присоединяйтесь к нашей команде.

Теги:
Хабы:
Всего голосов 64: ↑63 и ↓1 +62
Просмотры 46K
Комментарии 6
Комментарии Комментарии 6

Публикации

Информация

Сайт
wunderfund.io
Дата регистрации
Дата основания
Численность
11–30 человек
Местоположение
Россия
Представитель
xopxe