25. Redis 的哈希槽机制在集群模式中的作用是什么？

标准答案

Redis 集群采用 哈希槽（Hash Slot）机制 来管理数据分布，使得键值数据可以均衡地存储在多个节点上，并支持动态扩容与故障恢复。整个 Redis 集群共有 16384 个哈希槽，每个键通过 CRC16(key) % 16384 计算其哈希槽，再由对应的 Redis 节点负责存储。

该机制避免了传统一致性哈希的虚拟节点管理复杂性，同时确保了负载均衡、数据一致性和故障恢复能力，是 Redis 集群模式高效运作的核心。

答案解析

1️⃣ 哈希槽机制的设计背景

在分布式存储系统中，数据如何分布到多个节点上 是一个核心问题。传统的方案有两种：

1. 一致性哈希（Consistent Hashing）：每个节点对应一个哈希环上的区间，数据存储到对应的节点，但扩容时需要重新计算大量数据的归属，可能导致数据大规模迁移。
2. 固定分区（Fixed Partitioning）：数据分成固定的多个分区，每个分区分配给不同节点，扩容需要重新划分分区，管理复杂。

Redis 采用 哈希槽机制 来简化数据分布：

• 将整个数据空间划分为 16384 个固定哈希槽，每个槽由集群中的某个节点负责。
• 数据分布稳定，节点变更时仅需迁移部分哈希槽，而非所有数据。
• 避免了一致性哈希的复杂性，同时保留了灵活性和可扩展性。

2️⃣ 哈希槽的具体工作原理

1. 键值如何映射到哈希槽

Redis 计算键值对应该存储在哪个节点的流程：

1. 计算 CRC16(key)，得到一个 16-bit 哈希值。
2. 对 16384 取模，得到该键所属的哈希槽 slot = CRC16(key) % 16384。
3. 该哈希槽映射到一个 Redis 主节点，键值对存储在该节点上。

2. 哈希槽如何分配给节点

• 每个 Redis 节点可以负责多个哈希槽，例如：
  • 节点 A 负责槽 0 ~ 5000
  • 节点 B 负责槽 5001 ~ 10000
  • 节点 C 负责槽 10001 ~ 16383
• 一个哈希槽只能归属于一个主节点，但可以有多个从节点用于故障恢复。
• Redis 通过 gossip 协议在集群内维护哈希槽分布信息。

3️⃣ 哈希槽机制的作用

✅ 1. 负载均衡

Redis 集群通过哈希槽的均匀分配，使数据尽可能分散在多个节点上，避免某些节点压力过大，影响性能。

• 在 数据量增长 时，可以通过新增节点，动态迁移部分哈希槽，重新分配负载。
• 在 高并发场景 下，哈希槽机制确保流量在多个节点之间分散，提高整体吞吐量。

✅ 2. 动态扩容

当需要增加或减少节点时：

1. 增加节点：Redis 只需把部分哈希槽从现有节点迁移到新节点，而不影响其他槽的数据。
2. 减少节点：Redis 只需把该节点的哈希槽数据迁移到其他节点后，再移除该节点。
3. Redis 提供 CLUSTER ADDSLOTS 和 CLUSTER DELSLOTS 命令来调整哈希槽归属。

例如，从 3 个节点扩容到 4 个节点：

• 迁移 10001 ~ 13000 这部分哈希槽到新节点 D，减少其他节点的负载，而数据仍然可以按哈希槽查询，无须重算所有键的位置。

✅ 3. 故障恢复

• 主节点故障时，集群会自动将其负责的哈希槽切换到相应的从节点，保持数据高可用。
• 从节点自动接管哈希槽后，客户端无需手动修改数据访问逻辑，整个集群可以继续运行。

✅ 4. 提高查询效率

客户端查询时：

1. 通过 CLUSTER SLOTS 获取槽位分布，缓存到本地。
2. 直接向存储该槽的 Redis 节点发送请求，避免查询多个节点，提高访问效率。

✅ 5. 事务与 Lua 脚本的限制

Redis 集群中，单条命令只能操作一个哈希槽：

• MGET/MSET 不能跨多个槽执行，必须保证所有 key 在同一个哈希槽内。
• 事务（MULTI/EXEC）也受此限制，多键操作必须落在相同哈希槽，否则会报 CROSSSLOT 错误。

解决方案：使用 {} 标签

• {user:123}、{user:456} 会被映射到同一个哈希槽，因为 {} 内部的部分用于计算哈希值。

4️⃣ 哈希槽的迁移

Redis 允许在 不影响业务的情况下进行数据迁移：

1. 使用 CLUSTER SETSLOT <slot> IMPORTING 将槽临时导入目标节点。
2. 使用 CLUSTER SETSLOT <slot> MIGRATING 让原节点标记该槽为迁移状态。
3. 使用 redis-cli --cluster reshard 进行槽数据迁移。
4. 槽迁移完成后，集群更新槽位分布表，并重新平衡数据负载。

深入追问

🔹 Redis 集群如何处理跨槽事务？
🔹 如何快速判断一个 Redis key 落在哪个哈希槽？
🔹 Redis 在高并发场景下如何优化哈希槽迁移的效率？

相关面试题

🔹 Redis 集群如何保证一致性？
🔹 Redis 采用什么机制避免数据倾斜？
🔹 Redis 哨兵模式与集群模式的区别？

总结

Redis 哈希槽机制 是集群模式的核心，它将数据分为 16384 个槽 并均匀分布到不同节点，保证了 负载均衡、扩展性和高可用性。哈希槽避免了传统一致性哈希的复杂性，使得节点扩容、故障恢复和数据迁移更加高效。Redis 依赖哈希槽机制来维护集群的稳定性，确保业务在分布式环境下的高效运行。🚀