CN111125261B - 基于分布式缓存的数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于分布式缓存的数据传输方法，包括：A．在分布式缓存中以主‑从架构模式启动主进程，使主进程获取到集群数据库信息；B．主进程创建出表示所有数据库一致性的哈希表，并创建出多个从进程，并使每个从进程能够对应一个主数据库；C．当客户端向主数据库发送指令时，先由客户端发送包含键‑值的信息连接到从进程，从进程由哈希表确定对应的从进程和主数据库；D．通过多路复用技术由选取的其中一个从进程将客户端指令转发到对应的主数据库。本发明无需修改数据库源码，也无语所有数据库之间互相通信，通过简单配置即可实现对数据库的通信。

Description

基于分布式缓存的数据传输方法
技术领域
本发明涉及计算机数据传输领域，是一种分布式缓存的数据传输方法，具体讲是基于Master-Slave的分布式缓存的数据传输方法。
背景技术
在目前的分布式缓存中，redis-cluster是redis(一种内存数据库)官方支持的集群实现方式，它的结构特点有：
1、集群数据两两通信，使用内部协议传送数据进而提升性能。
2、超过集群二分之一的节点检测失效则所有节点失效。
3、redis数据库的客户端与服务端之间没有代理层，客户端直接连接集群中的任意节点。
4、redis-cluster将节点映射到[0-16383]slot(槽位)上，cluster负责维护节点和slot，以及值之间的关系。
5、redis数据库集群会预先分配好16384个桶，然后根据CRC16算法确定key(键)放到哪个桶。
codis是一个分布式redis的解决方案，是基于redis数据库的开源分布式缓存，它的结构特点有：
1、redis数据库被codis-dashboard管理为group。
2、通过proxy和客户端通信。
3、codis将redis数据库分成1024个slot(槽位)，后面根据hash来判断key值放在哪个槽位里。
codis解决方案需要依赖redis sentinel(redis官方推荐的高可用性解决方案)来进行redis的主/从数据库的切换，并且codis分为多个系统，每个系统配置繁琐，调参数据繁多。由于组件过多，部署一个codis集群需要的计算机资源过多。同时，由于在codis底层修改了redis数据库的源码，使得redis数据库不能和开源软件的开源环境同步。
发明内容
本发明提供了一种基于分布式缓存的数据传输方法，使其能够适用于Master-Slave模式，并使master线程能够对redis数据库的状态进行监控，而且无需修改redis数据库源码，也无需所有redis数据库之间互相通信，通过简单配置即可实现对redis数据库的通信。
本发明基于分布式缓存的数据传输方法，包括：
A.通过处理器在分布式缓存中以Master-Slave架构模式启动master进程，然后使master进程获取到redis集群数据库信息；
B.master进程根据redis集群数据库信息创建出表示所有redis数据库一致性的Hash表，并通过Linux系统的fork函数创建出多个与master进程几乎相同的worker进程，使所述的Hash表能够在master进程和worker进程中共享，并使每个worker进程能够对应redis集群数据库中的一个redis主数据库，每个redis主数据库对应有至少1个redis从数据库；
C.当客户端向主redis数据库发送指令时，先由客户端发送包含键-值(key-value)的信息连接到worker进程，worker进程根据键-值中的键(key)、通过所述Hash表确定对应的redis主数据库；
D.通过Linux系统中epoll的I/O多路复用技术进行网络通讯，通过选取的其中一个worker进程将客户端指令转发到对应的redis主数据库。
Master-Slave架构模式是一个基于分而治之思想的设计模式，它是将一个任务(原始任务)分解为若干个语义等同的子任务，并由专门的线程来并行执行这些任务，原始任务的结果是通过整合各个子任务的处理结果形成的。分布式缓存指的是高可用、支持动态扩容、动态下线的高性能缓存。
本发明是通过master进程fork(类似克隆)出若干个worker进程，每个worker进程对应有redis主数据库，然后通过所述的Hash表作为路由，当客户端向一个redis主数据库发送指令时，先由worker进程接收到该指令，然后通过该Hash表的键-值关系，找到该指令对应的是哪个redis主数据库，再通过与该redis主数据库对应的worker进程，以epoll的I/O多路复用技术将指令转发到该redis主数据库，实现通信。通过epoll的I/O多路复用技术能够显著提高在大量并发连接中只有少量活跃的情况下系统CPU的利用率。由此实现了不需修改redis数据库的底层源码，worker进程仅作为客户端请求的转发中间件即可实现客户端和redis数据库的通信。
进一步的，步骤B中，在master进程和每个worker进程中分别通过设置控制变量来区分master进程和各worker进程处理的事件。
进一步的，步骤B中，当创建出多个worker进程后，master进程通过心跳检测来判断各redis主数据库是否在线。所述的心跳检测是目前常用的一种检测进程、设备等状态是否正常的一种方法。
其中的一种情况是，如果master进程对某个redis主数据库的心跳检测失败，则表示该redis主数据库已经掉线，则master进程则通过更新所述Hash表将掉线的redis主数据库对应的redis从数据库更新为当前在线的redis主数据库。
另一种情况是，如果有worker进程在请求的过程中其对应的redis主数据库不可用，且当前的Hash表没有更新，该worker进程则主动从该redis主数据库对应的redis从数据库获取数据，然后通共享变量向master进程发起redis主/从数据库切换的请求，由master进程完成所述redis主数据库和redis从数据库的切换；如果对所述redis从数据库的操作失败则返回异常。在上述操作中需要通过对相应的redis数据库加锁来避免并发的问题。
还有一种情况是，通过更新所述的Hash表完成在redis集群数据库增加或删除redis主数据库和/或redis从数据库。
进一步的，步骤B中，在master进程中通过PID技术(在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制)对worker进程的工作状态实时监测，如果master进程监测到某个worker进程掉线，则由master进程新建一个在线的worker进程。
进一步的，步骤D中，所有的worker进程共享连接信息，并在接收到客户端请求到达时通过加锁的方式防止产生惊群效应。惊群效应也叫雷鸣群体效应，是多进程在同时阻塞等待同一个事件的时候(休眠状态)，如果等待的这个事件发生，那么它就会唤醒等待的所有进程，但最终只有一个进程获得这个事件的控制权，对该事件进行处理，而其他进程只能重新进入休眠状态，而这种现象会造成系统性能的浪费。
在此基础上，如果redis主数据库需要进行数据迁移，则将接收迁移数据的redis主数据库的信息添加到所述Hash表中，设置为迁移后的redis主数据库，并在该迁移后的redis主数据库中进行数据写入操作；
数据读取操作则先从迁移前的redis主数据库中读取，如果在迁移前的redis主数据库中没有读取到数据，再从迁移后的redis主数据库中读取；
如果数据读取操作在迁移前的redis主数据库中读取到了数据，则会返回结果给客户端后由迁移前的redis主数据库对应的worker进程将读的结果写入迁移后的redis主数据库中；
或者通过读取redis主数据库的备份文件来进行数据迁移，然后新的数据读/写操作都在迁移后的redis主数据库中进行。由于是通过所述Hash表实现的键(key)值和redis主数据库之间的映射，因此在数据迁移的时候只是相邻的redis主数据库之间会有数据交互，该过程可以由master进程新开进程来异步进行，使整个系统高可用。
可选的，步骤A中，master进程通过读取配置文件信息，或通过手动添加，使master进程获取到redis集群数据库信息。
本发明基于分布式缓存的数据传输方法的有益效果包括：
1、在现有分布式缓存的实现上实现了Master-Slave的架构模式，使分布式缓存拥有了高性能、弹性扩容、高可用的特点。
2、通过epoll和Master-Slave架构模式优化了网络通信效率，提高了网络通信的响应速度。
3、通过master进程监控和新建worker进程，将与客户端的交互通过worker进程来转发，更容易实现热更新配置，简化了更新操作。
4、通过Hash表能够动态添加和删除redis数据库，实现了系统的高可用。
5、使用worker进程与客户端通信，便于实现服务降级、权限管理和对客户端的操作进行监控，有效避免了出现危险操作。
6、整个系统部署简单，仅需要部署好master进程和redis数据库就能够运行一个完整的分布式缓存，而且不需要修改redis数据库源码。
7、redis数据库的状态通过master进程来进行检测，无需再对redis数据库进行二次开发，而且在Master-Slave架构模式redis数据库可以切换为其他各种高性能数据库。
8、无需所有redis主数据库之间互相通信，通过master进程进行来对redis主数据库的状态进行管理，通过Hash表实现了key和redis主数据库之间的联系。
9、由于通过Hash实现了key值和redis主数据库的映射，在数据迁移的时候只需相邻的redis主数据库之间会有数据交互，并且该过程可以由master进程新开进程来异步进行，使得整个系统高可用。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为本发明基于分布式缓存的数据传输方法的流程图。
图2为本发明的数据传输框图。
具体实施方式
如图1和图2所示本发明基于分布式缓存的数据传输方法，包括：
A.通过处理器在分布式缓存中以Master-Slave架构模式启动master进程，然后使master进程通过读取配置文件信息或通过手动添加获取到redis集群数据库信息。
B.master进程根据redis集群数据库信息创建出表示所有redis数据库一致性的Hash表，并通过Linux系统的fork函数创建出多个与master进程几乎相同的worker进程，使所述的Hash表能够在master进程和worker进程中共享，并且在master进程和每个worker进程中分别通过设置控制变量来区分master进程和各worker进程处理的事件。并使每个worker进程能够对应redis集群数据库中的一个redis主数据库，每个redis主数据库对应有至少1个redis从数据库。
在master进程中通过PID技术(在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制)对worker进程的工作状态实时监测，如果master进程监测到某个worker进程掉线，则由master进程新建一个在线的worker进程。
master进程通过心跳检测来判断各redis主数据库是否在线，具体包括：
一种情况是，如果master进程对某个redis主数据库的心跳检测失败，则表示该redis主数据库已经掉线，则master进程则通过更新所述Hash表将掉线的redis主数据库对应的redis从数据库更新为当前在线的redis主数据库。
另一种情况是，如果有worker进程在请求的过程中其对应的redis主数据库不可用，且当前的Hash表没有更新，该worker进程则主动从该redis主数据库对应的redis从数据库获取数据，然后通共享变量向master进程发起redis主/从数据库切换的请求，由master进程完成所述redis主数据库和redis从数据库的切换；如果对所述redis从数据库的操作失败则返回异常。
还有一种情况是，通过更新所述的Hash表完成在redis集群数据库增加或删除redis主数据库和/或redis从数据库。
C.当客户端向主redis数据库发送指令时，先由客户端发送包含键-值(key-value)的信息连接到worker进程，worker进程根据键-值中的键(key)、通过所述Hash表确定对应的redis主数据库。
D.所有的worker进程共享连接信息，并在接收到客户端请求到达时通过加锁的方式防止产生惊群效应造成系统性能的浪费。通过Linux系统中epoll的I/O多路复用技术进行网络通讯，通过选取的其中一个worker进程将客户端指令转发到对应的redis主数据库。
如果redis主数据库需要进行数据迁移，则将接收迁移数据的redis主数据库的信息添加到所述Hash表中，设置为迁移后的redis主数据库，并在该迁移后的redis主数据库中进行数据写入操作；
数据读取操作则先从迁移前的redis主数据库中读取，如果在迁移前的redis主数据库中没有读取到数据，再从迁移后的redis主数据库中读取；
如果数据读取操作在迁移前的redis主数据库中读取到了数据，则会返回结果给客户端后由迁移前的redis主数据库对应的worker进程将读的结果写入迁移后的redis主数据库中；
或者通过读取redis主数据库的备份文件来进行数据迁移，然后新的数据读/写操作都在迁移后的redis主数据库中进行。由于是通过所述Hash表实现的键(key)值和redis主数据库之间的映射，因此在数据迁移的时候只是相邻的redis主数据库之间会有数据交互，该过程可以由master进程新开进程来异步进行，使整个系统高可用。
如图2所示，本发明通过master进程fork出的若干个worker进程直接与各自对应有redis主数据库通信，以所述的Hash表作为路由，当客户端向一个redis主数据库发送指令时，先由worker进程接收到该指令，然后通过该Hash表的键-值关系(Hahs表中的值即为每个键对应的redis主数据库)，找到该指令对应的是哪个redis主数据库，再通过与该redis主数据库对应的worker进程，以epoll的I/O多路复用技术将指令转发到该redis主数据库，实现通信。由此实现了不需修改redis数据库的底层源码，worker进程仅作为客户端请求的转发中间件即可实现客户端和redis数据库的通信。

Claims (10)

1.基于分布式缓存的数据传输方法，其特征包括：
A.通过处理器在分布式缓存中以Master-Slave架构模式启动master进程，然后使master进程获取到redis集群数据库信息；
B.master进程根据redis集群数据库信息创建出表示所有redis数据库一致性的Hash表，并通过Linux系统的fork函数创建出多个worker进程，使所述的Hash表能够在master进程和worker进程中共享，并使每个worker进程能够对应redis集群数据库中的一个redis主数据库，每个redis主数据库对应有至少1个redis从数据库；
C.当客户端向主redis数据库发送指令时，先由客户端发送包含键-值的信息连接到worker进程，worker进程根据键-值中的键、通过所述Hash表确定对应的redis主数据库；
D.通过Linux系统中epoll的I/O多路复用技术进行网络通讯，通过选取的其中一个worker进程将客户端指令转发到对应的redis主数据库。
2.如权利要求1所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：步骤B中，在master进程和每个worker进程中分别通过设置控制变量来区分master进程和各worker进程处理的事件。
3.如权利要求1所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：步骤B中，当创建出多个worker进程后，master进程通过心跳检测来判断各redis主数据库是否在线。
4.如权利要求3所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：如果master进程对某个redis主数据库的心跳检测失败，则表示该redis主数据库已经掉线，则master进程则通过更新所述Hash表将掉线的redis主数据库对应的redis从数据库更新为当前在线的redis主数据库。
5.如权利要求3所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：如果有worker进程在请求的过程中其对应的redis主数据库不可用，且当前的Hash表没有更新，该worker进程则主动从该redis主数据库对应的redis从数据库获取数据，然后通共享变量向master进程发起redis主/从数据库切换的请求，由master进程完成所述redis主数据库和redis从数据库的切换；如果对所述redis从数据库的操作失败则返回异常。
6.如权利要求3所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：通过更新所述的Hash表完成在redis集群数据库增加或删除redis主数据库和/或redis从数据库。
7.如权利要求1所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：步骤B中，在master进程中通过PID技术对worker进程的工作状态实时监测，如果master进程监测到某个worker进程掉线，则由master进程新建一个在线的worker进程。
8.如权利要求1所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：步骤D中，所有的worker进程共享连接信息，并在接收到客户端请求到达时通过加锁的方式防止产生惊群效应。
9.如权利要求1至8之一所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：如果redis主数据库需要进行数据迁移，则将接收迁移数据的redis主数据库的信息添加到所述Hash表中，设置为迁移后的redis主数据库，并在该迁移后的redis主数据库中进行数据写入操作；
数据读取操作则先从迁移前的redis主数据库中读取，如果在迁移前的redis主数据库中没有读取到数据，再从迁移后的redis主数据库中读取；
如果数据读取操作在迁移前的redis主数据库中读取到了数据，则会返回结果给客户端后由迁移前的redis主数据库对应的worker进程将读的结果写入迁移后的redis主数据库中；
或者通过读取redis主数据库的备份文件来进行数据迁移，然后新的数据读/写操作都在迁移后的redis主数据库中进行。
10.如权利要求1至8之一所述的基于分布式缓存的数据传输方法，其特征为：步骤A中，master进程通过读取配置文件信息，或通过手动添加，使master进程获取到redis集群数据库信息。
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