Redis - 主从复制

        在分布式系统中为了解决单点问题，通常会把数据复制多个副本部署到其他服务器，满⾜故障恢 复和负载均衡等需求。Redis也是如此，它为我们提供了复制的功能，实现了相同数据的多个Redis副 本。复制功能是⾼可⽤Redis的基础，哨兵和集群都是在复制的基础上构建的。本章内容如下：

• 介绍复制的使⽤⽅式：如何建⽴或断开复制、安全性、只读等。
• 说明复制可⽀持的拓扑结构，以及每个拓扑结构的适⽤场景。
• 分析复制的原理，包括：建⽴复制、全量复制、部分复制、⼼跳检测等。

一、配置

1.1、建⽴复制

        参与复制的Redis实例划分为主节点（master）和从节点（slave）。每个从结点只能有⼀个主节点， ⽽⼀个主节点可以同时具有多个从结点。复制的数据流是单向的，只能由主节点到从节点。配置复制 的⽅式有以下三种：

1. 在配置⽂件中加⼊slaveof{masterHost}{masterPort}随Redis启动⽣效。
2. 在redis-server 启动命令时加⼊--slaveof{masterHost}{masterPort}⽣效。
3. 直接使⽤redis命令：slaveof{masterHost}{masterPort}⽣效。

接下来，将redis.conf配置⽂件复制⼀份redis-slave.conf，并且修改其daemonize为yes。

 # By default Redis does not run as a daemon. Use 'yes' if you need it.# Note that Redis will write a pid file in /var/run/redis.pid when daemonized.daemonize yes

接下来，默认启动的redis作为主Redis，重新通过命令⾏启动⼀个Redis实例作为从Redis：

 # ubunturedis-server /etc/redis/redis-slave.conf --port 6380 --slaveof 127.0.0.1 6379# centosredis-server /etc/redis-slave.conf --port 6380 --slaveof 127.0.0.1 6379

注 意:修改配置主要是修改从机的配置.主机配置不变.

通过netstat-nlpt确保两个Redis均已正确启动。

 [root@host ~]# netstat -nlptActive Internet connections (only servers)   Proto Recv-Q Send-Q Local Address      Foreign Address     StatePID/Program name           tcp        0      0 127.0.0.1:6379     0.0.0.0:*           LISTEN49264/redis-server  tcp        0      0 127.0.0.1:6380     0.0.0.0:*           LISTEN 272418/redis-server                                

通过redis-cli 可以连接主Redis实例，通过redis-cli-p6380连接从Redis。并且观察复制关系。

 127.0.0.1:6379> set hello worldOK127.0.0.1:6379> get hello"world"

 127.0.0.1:6380> get hello"world"

        从运⾏结果中看到复制已经⼯作了，针对主节点6379的任何修改都可以同步到从节点6380中，复制 过程如图所⽰。

Redis 主从节点复制过程

可以通过inforeplication命令查看复制相关状态。

1）主节点6379复制状态信息

 127.0.0.1:6379> info replication# Replicationrole:masterconnected_slaves:1slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=100,lag=0master_replid:2fbd35a8b8401b22eb92ff49ad5e42250b3e7a06master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000master_repl_offset:100second_repl_offset:-1repl_backlog_active:1repl_backlog_size:1048576repl_backlog_first_byte_offset:1repl_backlog_histlen:100

2）从节点6380复制状态信息

 127.0.0.1:6380> info replication# Replicationrole:slavemaster_host:127.0.0.1master_port:6379master_link_status:upmaster_last_io_seconds_ago:1master_sync_in_progress:0slave_repl_offset:170slave_priority:100slave_read_only:1connected_slaves:0master_replid:2fbd35a8b8401b22eb92ff49ad5e42250b3e7a06master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000master_repl_offset:170second_repl_offset:-1repl_backlog_active:1repl_backlog_size:1048576repl_backlog_first_byte_offset:1repl_backlog_histlen:170

1.2、断开复制

        slaveof 命令不但可以建⽴复制，还可以在从节点执⾏slaveofnoone来断开与主节点复制关系。 例如在6380节点上执⾏slaveofnoone来断开复制。

断开复制主要流程：

1. 断开与主节点复制关系。
2. 从节点晋升为主节点。

从节点断开复制后并不会抛弃原有数据，只是⽆法再获取主节点上的数据变化。

        通过slaveof命令还可以实现切主操作，将当前从节点的数据源切换到另⼀个主节点。执⾏ slaveof {newMasterIp} {newMasterPort} 命令即可。

切主操作主要流程：

1）断开与旧主节点复制关系。

2）与新主节点建⽴复制关系。

3）删除从节点当前所有数据。

4）从新主节点进⾏复制操作。

1.3、安全性

        对于数据⽐较重要的节点，主节点会通过设置requirepass参数进⾏密码验证，这时所有的客⼾ 端访问必须使⽤auth命令实⾏校验。从节点与主节点的复制连接是通过⼀个特殊标识的客⼾端来完 成，因此需要配置从节点的masterauth参数与主节点密码保持⼀致，这样从节点才可以正确地连接到 主节点并发起复制流程。

1.4、只读

        默认情况下，从节点使⽤slave-read-only=yes配置为只读模式。由于复制只能从主节点到从节 点，对于从节点的任何修改主节点都⽆法感知，修改从节点会造成主从数据不⼀致。所以建议线上不 要修改从节点的只读模式。

1.5、传输延迟

        主从节点⼀般部署在不同机器上，复制时的⽹络延迟就成为需要考虑的问题，Redis为我们提供 了repl-disable-tcp-nodelay 参数⽤于控制是否关闭TCP_NODELAY，默认为no，即开启tcp nodelay 功能，说明如下：

• 当关闭时，主节点产⽣的命令数据⽆论⼤⼩都会及时地发送给从节点，这样主从之间延迟会变⼩， 但增加了⽹络带宽的消耗。适⽤于主从之间的⽹络环境良好的场景，如同机房部署。
• 当开启时，主节点会合并较⼩的TCP数据包从⽽节省带宽。默认发送时间间隔取决于Linux的内 核，⼀般默认为40毫秒。这种配置节省了带宽但增⼤主从之间的延迟。适⽤于主从⽹络环境复杂 的场景，如跨机房部署。

二、拓扑

        Redis 的复制拓扑结构可以⽀持单层或多层复制关系，根据拓扑复杂性可以分为以下三种：⼀主⼀ 从、⼀主多从、树状主从结构。

2.1、⼀主⼀从结构

        ⼀主⼀从结构是最简单的复制拓扑结构，⽤于主节点出现宕机时从节点提供故障转移⽀持，如图 所⽰。当应⽤写命令并发量较⾼且需要持久化时，可以只在从节点上开启AOF，这样既可以保证数据 安全性同时也避免了持久化对主节点的性能⼲扰。但需要注意的是，当主节点关闭持久化功能时，如 果主节点宕机要避免⾃动重启操作。

⼀主⼀从拓扑

 

2.2、⼀主多从结构 

        ⼀主多从结构（星形结构）使得应⽤端可以利⽤多个从节点实现读写分离，如图5-3所⽰。对于 读⽐重较⼤的场景，可以把读命令负载均衡到不同的从节点上来分担压⼒。同时⼀些耗时的读命令可 以指定⼀台专⻔的从节点执⾏，避免破坏整体的稳定性。对于写并发量较⾼的场景，多个从节点会导 致主节点写命令的多次发送从⽽加重主节点的负载。

⼀主多从拓扑

 

2.3、树形主从结构

        树形主从结构（分层结构）使得从节点不但可以复制主节点数据，同时可以作为其他从节点的主 节点继续向下层复制。通过引⼊复制中间层，可以有效降低住系欸按负载和需要传送给从节点的数据 量，如图6-4所⽰。数据写⼊节点A之后会同步给B和C节点，B节点进⼀步把数据同步给D和E节 点。当主节点需要挂载等多个从节点时为了避免对主节点的性能⼲扰，可以采⽤这种拓扑结构。

图5-4树形拓扑

三、 原理

3.1、复制过程

如图所⽰，下⾯详细介绍建⽴复制的完整流程。从图中可以看出复制过程⼤致分为6个过程：

主从节点建⽴复制流程图

 1）保存主节点（master）的信息。

        开始配置主从同步关系之后，从节点只保存主节点的地址信息，此时建⽴复制流程还没有开始， 在从节点6380执⾏inforeplication可以看到如下信息：

 master_host: 127.0.0.1master_port: 6379master_link_status: down

从统计信息可以看出，主节点的ip和port被保存下来，但是主节点的连接状态 （master_link_status）是下线状态。

2）从节点（slave）内部通过每秒运⾏的定时任务维护复制相关逻辑，当定时任务发现存在新的主节 点后，会尝试与主节点建⽴基于TCP的⽹络连接。如果从节点⽆法建⽴连接，定时任务会⽆限重试直 到连接成功或者⽤⼾停⽌主从复制。

3）发送ping命令。连接建⽴成功之后，从节点通过ping命令确认主节点在应⽤层上是⼯作良好的。 如果ping命令的结果pong回复超时，从节点会断开TCP连接，等待定时任务下次重新建⽴连接。

4）权限验证。如果主节点设置了requirepass参数，则需要密码验证，从节点通过配置masterauth 参数来设置密码。如果验证失败，则从节点的复制将会停⽌。

5）同步数据集。对于⾸次建⽴复制的场景，主节点会把当前持有的所有数据全部发送给从节点，这步 操作基本是耗时最⻓的，所以⼜划分称两种情况：全量同步和部分同步，下⼀节重点介绍。

6）命令持续复制。当从节点复制了主节点的所有数据之后，针对之后的修改命令，主节点会持续的把 命令发送给从节点，从节点执⾏修改命令，保证主从数据的⼀致性。

3.2、数据同步psync

Redis 使⽤psync命令完成主从数据同步，同步过程分为：全量复制和部分复制。

• 全量复制：⼀般⽤于初次复制场景，Redis早期⽀持的复制功能只有全量复制，它会把主节点全部 数据⼀次性发送给从节点，当数据量较⼤时，会对主从节点和⽹络造成很⼤的开销。
• 部分复制：⽤于处理在主从复制中因⽹络闪断等原因造成的数据丢失场景，当从节点再次连上主节 点后，如果条件允许，主节点会补发数据给从节点。因为补发的数据远⼩于全量数据，可以有效避 免全量复制的过⾼开销。

PSYNC的语法格式

 PSYNC replicationid offset

如果replicationid 设为?并且offset设为-1 此时就是在尝试进⾏全量复制.

如果replicationid offset 设为了具体的数值,则是尝试进⾏部分复制.

3.2.1、replicationid/replid (复制id)

        主节点的复制id.主节点重新启动,或者从节点晋级成主节点,都会⽣成⼀个replicationid.(同⼀个节 点,每次重启,⽣成的replicationid也会变化).

从节点在和主节点建⽴连接之后,就会获取到主节点的replicationid.

通过 info replication 即可看到replicationid

 127.0.0.1:6379> info replication# Replicationrole:masterconnected_slaves:0master_replid:1da596acecf5a34b4b2aae45bd35be785691ae69master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000master_repl_offset:0second_repl_offset:-1repl_backlog_active:0repl_backlog_size:1048576repl_backlog_first_byte_offset:0repl_backlog_histlen:0

关于master_replid和master_replid2

每个节点需要记录两组master_replid.这个设定解决的问题场景是这样的:

⽐如当前有两个节点A和B,A为master,B为slave.

此时B就会记录A的master_replid.

如果⽹络出现抖动,B以为A挂了,B⾃⼰就会成为主节点.于是B给⾃⼰分配了新的master_replid.

此时就会使⽤master_replid2来保存之前A的master_replid.

• 后续如果⽹络恢复了,B就可以根据master_replid2找回之前的主节点.
• 后续如果⽹络没有恢复,B就按照新的master_replid⾃成⼀派,继续处理后续的数据

3.2.2、offset (偏移量)

        参与复制的主从节点都会维护⾃⾝复制偏移量。主节点（master）在处理完写⼊命令后，会把命令的 字节⻓度做累加记录，统计信息在inforeplication中的master_repl_offset指标中。

 127.0.0.1:6379> info replication# Replicationrole:master...master_repl_offset:1055130

        从节点（slave）每秒钟上报⾃⾝的复制偏移量给主节点，因此主节点也会保存从节点的复制偏移量， 统计指标如下：

 127.0.0.1:6379> info replicationconnected_slaves:1slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=1055214,lag=1...

        从节点在接受到主节点发送的命令后，也会累加记录⾃⾝的偏移量。统计信息在inforeplication中的 slave_repl_offset 指标中：

 127.0.0.1:6380> info replication# Replicationrole:slave...slave_repl_offset:1055214

复制偏移量的维护如图所⽰。通过对⽐主从节点的复制偏移量，可以判断主从节点数据是否⼀致。

3.3、复制偏移量维护

 这个偏移量,就相当于"学习进度"

replid+offset共同标识了⼀个"数据集". 如果两个节点,他们的replid和offset都相同,则这两个节点上持有的数据,就⼀定相同.

3.4、psync运⾏流程

 1）从节点发送psync命令给主节点，replid和offset的默认值分别是?和-1.

 2）主节点根据 psync 参数和自身数据情况决定响应结果：

•  如果回复+FULLRESYNC replid offset，则从节点需要进⾏全量复制流程。
• 如果回复+CONTINEU，从节点进⾏部分复制流程。
• 如果回复-ERR，说明Redis主节点版本过低，不⽀持psync命令。从节点可以使⽤sync命令进⾏ 全量复制。
  • psync⼀般不需要⼿动执⾏.Redis会在主从复制模式下⾃动调⽤执⾏.
  • sync会阻塞redisserver处理其他请求.psync则不会

3.5、全量复制

        全量复制是Redis最早⽀持的复制⽅式，也是主从第⼀次建⽴复制时必须经历的阶段。全量复制的运 ⾏流程如图所⽰。

全量复制流程

 1）从节点发送psync命令给主节点进⾏数据同步，由于是第⼀次进⾏复制，从节点没有主节点的运 ⾏ID和复制偏移量，所以发送psync?-1。

2）主节点根据命令，解析出要进⾏全量复制，回复+FULLRESYNC响应。

3）从节点接收主节点的运⾏信息进⾏保存。

4）主节点执⾏bgsave进⾏RDB⽂件的持久化。

5）从节点发送RDB⽂件给从节点，从节点保存RDB数据到本地硬盘。

6）主节点将从⽣成RDB到接收完成期间执⾏的写命令，写⼊缓冲区中，等从节点保存完RDB⽂件 后，主节点再将缓冲区内的数据补发给从节点，补发的数据仍然按照rdb的⼆进制格式追加写⼊到收 到的rdb⽂件中.保持主从⼀致性。

7）从节点清空⾃⾝原有旧数据。

8）从节点加载RDB⽂件得到与主节点⼀致的数据。

9）如果从节点加载RDB完成之后，并且开启了AOF持久化功能，它会进⾏bgrewrite操作，得到最 近的AOF⽂件。

        通过分析全量复制的所有流程，我们会发现全量复制是⼀件⾼成本的操作：主节点bgsave的时间， RDB在⽹络传输的时间，从节点清空旧数据的时间，从节点加载RDB的时间等。所以⼀般应该尽可能 避免对已经有⼤量数据集的Redis进⾏全量复制。

有磁盘复制vs⽆磁盘复制(diskless)

        默认情况下,进⾏全量复制需要主节点⽣成RDB⽂件到主节点的磁盘中,再把磁盘上的RDB ⽂件通过发送给从节点.

        Redis 从2.8.18版本开始⽀持⽆磁盘复制.主节点在执⾏RDB⽣成流程时,不会⽣成RDB⽂ 件到磁盘中了,⽽是直接把⽣成的RDB数据通过⽹络发送给从节点.这样就节省了⼀系列的写 硬盘和读硬盘的操作开销.

3.6、部分复制

        部分复制主要是Redis针对全量复制的过⾼开销做出的⼀种优化措施，使⽤psyncreplicationId offset 命令实现。当从节点正在复制主节点时，如果出现⽹络闪断或者命令丢失等异常情况时，从节点 会向主节点要求补发丢失的命令数据，如果主节点的复制积压缓冲区存在数据则直接发送给从节点， 这样就可以保持主从节点复制的⼀致性。补发的这部分数据⼀般远远⼩于全量数据，所以开销很⼩。 整体流程如图所⽰。

图部分复制过程

1）当主从节点之间出现⽹络中断时，如果超过repl-timeout时间，主节点会认为从节点故障并终端 复制连接。

2）主从连接中断期间主节点依然响应命令，但这些复制命令都因⽹络中断⽆法及时发送给从节点，所 以暂时将这些命令滞留在复制积压缓冲区中。

3）当主从节点⽹络恢复后，从节点再次连上主节点。

4）从节点将之前保存的replicationId和复制偏移量作为psync的参数发送给主节点，请求进⾏部分 复制。

5）主节点接到psync请求后，进⾏必要的验证。随后根据offset去复制积压缓冲区查找合适的数据， 并响应+CONTINUE给从节点。

6）主节点将需要从节点同步的数据发送给从节点，最终完成⼀致性。

3.7、复制积压缓冲区

        复制积压缓冲区是保存在主节点上的⼀个固定⻓度的队列，默认⼤⼩为1MB，当主节点有连接的从节 点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写⼊ 复制积压缓冲区，如图所⽰。

         由于缓冲区本质上是先进先出的定⻓队列，所以能实现保存最近已复制数据的功能，⽤于部分复制和 复制命令丢失的数据补救。复制缓冲区相关统计信息可以通过主节点的inforeplication中：

 127.0.0.1:6379> info replication# Replicationrole:master...repl_backlog_active:1                // 开启复制缓冲区repl_backlog_size:1048576            // 缓冲区最⼤⻓度repl_backlog_first_byte_offset:7479  // 起始偏移量，计算当前缓冲区可⽤范围repl_backlog_histlen:1048576         // 已保存数据的有效⻓度

根据统计指标，可算出复制积压缓冲区内的可⽤偏移量范围：[repl_backlog_first_byte_offset,repl_backlog_first_byte_offset + repl_backlog_histlen]。

这个相当于⼀个基于数组实现的环形队列.上述区间中的值就是"数组下标".

如果当前从节点需要的数据,已经超出了主节点的积压缓冲区的范围,则⽆法进⾏部分复制,只 能全量复制了.

3.8、实时复制

        主从节点在建⽴复制连接后，主节点会把⾃⼰收到的修改操作,通过tcp⻓连接的⽅式,源源不断的传 输给从节点.从节点就会根据这些请求来同时修改⾃⾝的数据.从⽽保持和主节点数据的⼀致性.

另外,这样的⻓连接,需要通过⼼跳包的⽅式来维护连接状态.(这⾥的⼼跳是指应⽤层⾃⼰实现的⼼跳, ⽽不是TCP⾃带的⼼跳).

1）主从节点彼此都有⼼跳检测机制，各⾃模拟成对⽅的客⼾端进⾏通信。

2）主节点默认每隔10秒对从节点发送ping命令，判断从节点的存活性和连接状态。

3）从节点默认每隔1秒向主节点发送replconfack{offset}命令，给主节点上报⾃⾝当前的复制偏移 量。

如果主节点发现从节点通信延迟超过repl-timeout配置的值（默认60秒），则判定从节点下线，断 开复制客⼾端连接。从节点恢复连接后，⼼跳机制继续进⾏。

四、本章重点回顾

主从复制解决的问题:

单点问题

1. 单个redis节点,可⽤性不⾼.
2. 单个redis节点,性能有限.

主从复制的特点:

1. Redis 通过复制功能实现主节点的多个副本。
2. 主节点⽤来写,从节点⽤来读.这样做可以降低主节点的访问压⼒.
3. 复制⽀持多种拓扑结构，可以在适当的场景选择合适的拓扑结构。
4. 复制⽀持多种拓扑结构，可以在适当的场景选择合适的拓扑结构。
5. 主从节点之间通过⼼跳机制保证主从节点通信正常和数据⼀致性。

主从复制配置的过程:

1. 主节点配置不需要改动.
2. 从节点在配置⽂件中加⼊ 主从复制的缺点: slaveof 主节点 ip 主节点端⼝ 的形式即可.

主从复制的缺点:

1. 从机多了,复制数据的延时⾮常明显.
2. 主机挂了,从机不会升级成主机.只能通过⼈⼯⼲预的⽅式恢复.