Redis系列十三：Redis高可用之主从复制

一、主从复制概述

主从复制，是指将一台Redis服务器的数据，复制到其他的Redis服务器。前者称为主节点(master)，后者称为从节点(slave)；数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。

主从复制的作用

 

• 数据冗余：主从复制实现了数据的热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式。
• 故障恢复：当主节点出现问题时，可以由从节点提供服务，实现快速的故障恢复；实际上是一种服务的冗余。
• 负载均衡：在主从复制的基础上，配合读写分离，可以由主节点提供写服务，由从节点提供读服务（即写Redis数据时应用连接主节点，读Redis数据时应用连接从节点），分担服务器负载；尤其是在写少读多的场景下，通过多个从节点分担读负载，可以大大提高Redis服务器的并发量。
• 高可用基石：除了上述作用以外，主从复制还是哨兵和集群能够实施的基础，因此说主从复制是Redis高可用的基础。
   

二、如何使用主从复制

1、建立复制

主从复制的开启，完全是在从节点发起的；不需要我们在主节点做任何事情。
从节点开启主从复制，有3种方式：

a、配置文件

在从服务器的配置文件中加入：slaveof

slaveof 127.0.0.1 6379

在6379启动完后再启6380，完成配置；

b、启动命令

redis-server启动命令后加入 –slaveof

./redis-server -slaveof 127.0.0.1 6379

c、客户端命令

Redis服务器启动后，直接通过客户端执行命令：slaveof ，则该Redis实例成为从节点。

slaveof 127.0.0.1 6379

2、断开复制

在slave节点，执行6380:> slaveof no one
需要注意的是，从节点断开复制后，不会删除已有的数据，只是不再接受主节点新的数据变化。

断开复制之后同样可以通过slaveof 建立复制。
可以用指令info replication 查看主从复制状态。

补充

a、读写分离：从节点建议用只读模式slave-read-only=yes, 因为从节点修改数据，主从数据不一致。并且这样读写分离可减轻主节点压力。
b、传输延迟：主从一般部署在不同机器上，复制时存在网络延时问题，redis提供repl-disable-tcp-nodelay参数决定是否关闭TCP_NODELAY（默认为关闭）
参数关闭时：无论大小都会及时发布到从节点，占带宽，适用于主从网络好的场景。
参数启用时：主节点合并所有数据成TCP包节省带宽，默认为40毫秒发一次，取决于内核，主从的同步延迟40毫秒，适用于网络环境复杂或带宽紧张，如跨机房。

三、Redis主从拓扑

1、一主一从

用于主节点故障转移从节点，当主节点的“写”命令并发高且需要持久化，可以只在从节点开启AOF（主节点不需要），这样即保证了数据的安全性，也避免持久化对主节点的影响。

2、一主多从

针对“读”较多的场景，“读”由多个从节点来分担，但节点越多，主节点同步到多节点的次数也越多，影响带宽，也加重主节点的稳定。

3、树状主从

一主多从的缺点是主节点推送次数多压力大，若主节点只推送一次数据到从节点1，再由从节点2推送到11，减轻主节点推送的压力。

三、主从复制的实现原理

主从复制过程大体可以分为3个阶段：连接建立阶段（即准备阶段）、数据同步阶段、命令传播阶段；下面分别进行介绍。

1、连接建立阶段

该阶段的主要作用是在主从节点之间建立连接，为数据同步做好准备。
以下细节内容了解即可，不必细究。

步骤1：保存主节点信息

从节点服务器内部维护了两个字段，即masterhost和masterport字段，用于存储主节点的ip和port信息。
需要注意的是，slaveof是异步命令，从节点完成主节点ip和port的保存后，向发送slaveof命令的客户端直接返回OK，实际的复制操作在这之后才开始进行。

步骤2：建立socket连接

从节点每秒1次调用复制定时函数replicationCron()，如果发现了有主节点可以连接，便会根据主节点的ip和port，创建socket连接。如果连接成功，则：

从节点：为该socket建立一个专门处理复制工作的文件事件处理器，负责后续的复制工作，如接收RDB文件、接收命令传播等。

主节点：接收到从节点的socket连接后（即accept之后），为该socket创建相应的客户端状态，并将从节点看做是连接到主节点的一个客户端，后面的步骤会以从节点向主节点发送命令请求的形式来进行。

步骤3：发送ping命令

从节点成为主节点的客户端之后，发送ping命令进行首次请求，目的是：检查socket连接是否可用，以及主节点当前是否能够处理请求。

从节点发送ping命令后，可能出现3种情况：

（1）返回pong：说明socket连接正常，且主节点当前可以处理请求，复制过程继续。

（2）超时：一定时间后从节点仍未收到主节点的回复，说明socket连接不可用，则从节点断开socket连接，并重连。

（3）返回pong以外的结果：如果主节点返回其他结果，如正在处理超时运行的脚本，说明主节点当前无法处理命令，则从节点断开socket连接，并重连。

步骤4：身份验证

如果从节点中设置了masterauth选项，则从节点需要向主节点进行身份验证；没有设置该选项，则不需要验证。从节点进行身份验证是通过向主节点发送auth命令进行的，auth命令的参数即为配置文件中的masterauth的值。

如果主节点设置密码的状态，与从节点masterauth的状态一致（一致是指都存在，且密码相同，或者都不存在），则身份验证通过，复制过程继续；如果不一致，则从节点断开socket连接，并重连。

步骤5：发送从节点端口信息（可忽略）
身份验证之后，从节点会向主节点发送其监听的端口号（前述例子中为6380），主节点将该信息保存到该从节点对应的客户端的slave_listening_port字段中；该端口信息除了在主节点中执行info Replication时显示以外，没有其他作用。

2、数据同步阶段
该阶段可以理解为从节点数据的初始化。具体执行的方式是：从节点向主节点发送psync命令（Redis2.8以前是sync命令），开始同步。
这一阶段及以后，主从节点互为客户端，在数据同步阶段和后面的命令传播阶段，主节点需要主动向从节点发送请求（如推送缓冲区中的写命令），才能完成复制。

3、命令传播阶段
在这个阶段主节点将自己执行的写命令发送给从节点，从节点接收命令并执行，从而保证主从节点数据的一致性。

四、全量复制和部分复制

1、全量复制

用于初次复制或其他无法进行部分复制的情况，将主节点中的所有数据都发送给从节点，是一个非常重型的操作。

Redis通过psync命令进行全量复制的过程如下：

（1）从节点判断无法进行部分复制，向主节点发送全量复制的请求；或从节点发送部分复制的请求，但主节点判断无法进行全量复制；具体判断过程需要在讲述了部分复制原理后再介绍。
（2）主节点收到全量复制的命令后，执行bgsave，在后台生成RDB文件，并使用一个缓冲区（称为复制缓冲区）记录从现在开始执行的所有写命令。
（3）主节点的bgsave执行完成后，将RDB文件发送给从节点；从节点首先清除自己的旧数据，然后载入接收的RDB文件，将数据库状态更新至主节点执行bgsave时的数据库状态。
（4）主节点将前述复制缓冲区中的所有写命令发送给从节点，从节点执行这些写命令，将数据库状态更新至主节点的最新状态。
（5）如果从节点开启了AOF，则会触发bgrewriteaof的执行，从而保证AOF文件更新至主节点的最新状态。

2、部分复制

用于网络中断等情况后的复制，只将中断期间主节点执行的写命令发送给从节点，与全量复制相比更加高效。需要注意的是，如果网络中断时间过长，导致主节点没有能够完整地保存中断期间执行的写命令，则无法进行部分复制，仍使用全量复制。

部分复制的实现，依赖于三个重要的概念：

（1）复制偏移量
主节点和从节点分别维护一个复制偏移量（offset），代表的是主节点向从节点传递的字节数；主节点每次向从节点传播N个字节数据时，主节点的offset增加N；从节点每次收到主节点传来的N个字节数据时，从节点的offset增加N。

offset用于判断主从节点的数据库状态是否一致：如果二者offset相同，则一致；如果offset不同，则不一致，此时可以根据两个offset找出从节点缺少的那部分数据。

（2）复制积压缓冲区
复制积压缓冲区是由主节点维护的、固定长度的、先进先出(FIFO)队列，默认大小1MB；当主节点开始有从节点时创建，其作用是备份主节点最近发送给从节点的数据。注意，无论主节点有一个还是多个从节点，都只需要一个复制积压缓冲区。

在命令传播阶段，主节点除了将写命令发送给从节点，还会发送一份给复制积压缓冲区，作为写命令的备份；除了存储写命令，复制积压缓冲区中还存储了其中的每个字节对应的复制偏移量（offset）。由于复制积压缓冲区定长且是先进先出，所以它保存的是主节点最近执行的写命令；时间较早的写命令会被挤出缓冲区。

由于该缓冲区长度固定且有限，因此可以备份的写命令也有限，当主从节点offset的差距过大超过缓冲区长度时，将无法执行部分复制，只能执行全量复制。

从节点将offset发送给主节点后，主节点根据offset和缓冲区大小决定能否执行部分复制：

如果offset偏移量之后的数据，仍然都在复制积压缓冲区里，则执行部分复制；
如果offset偏移量之后的数据已不在复制积压缓冲区中（数据已被挤出），则执行全量复制。
（3）服务器运行ID(runid)
每个Redis节点(无论主从)，在启动时都会自动生成一个随机ID(每次启动都不一样)，由40个随机的十六进制字符组成；runid用来唯一识别一个Redis节点。

主从节点初次复制时，主节点将自己的runid发送给从节点，从节点将这个runid保存起来；当断线重连时，从节点会将这个runid发送给主节点；主节点根据runid判断能否进行部分复制：

如果从节点保存的runid与主节点现在的runid相同，说明主从节点之前同步过，主节点会继续尝试使用部分复制(到底能不能部分复制还要看offset和复制积压缓冲区的情况)；
如果从节点保存的runid与主节点现在的runid不同，说明从节点在断线前同步的Redis节点并不是当前的主节点，只能进行全量复制。

补充

在命令传播阶段，除了发送写命令，主从节点还维持着长连接心跳机制：PING和REPLCONF ACK。心跳机制对于主从复制的超时判断、数据安全等有作用。主节点默认每10S向从节点发ping命令，repl-ping-slave-period控制发送频率。