谈谈redis主从架构的原理

Posted 2021-04-07 ajin的技术分享

• redis为什么需要实现读写分离

• master持久化对于主从架构的安全保障的意义

• `redis replication`最基本的原理

• redis主从架构的核心原理

• 主从复制的断点续传

• 无磁盘化复制

• 过期key处理

• 复制的完整流程

• 数据同步相关的核心机制

• 全量复制(耗时)

• 增量复制（异常情况）

• heartbeat

• 异步复制

• 总结

• 特别感谢

redis为什么需要实现读写分离

redis高并发与分布式系统的高并发之间的关系：

大量使用redis技术的分布式系统，它的高并发能力与redis的高并发密切相关，因此要想提升分布式系统的高并发能力，就要提升redis在高并发场景下的性能。

如果我们生产环境中使用的redis是单机的，那么redis的整体性能一定是有瓶颈的。因此，我们说redis支撑高并发的瓶颈在于单机，那么如果redis要支撑10万+的并发，应该怎么破呢？

首先需要明白一个事实，单机的redis要想支撑超过10万+的QPS，是不太可能的，正常情况下单机的QPS在几万级别。

要想支撑10万+的QPS，我们可以通过基于一主多从的读写分离架构来实现，一台机器作为master，其他机器作为slave，写请求只通过master，slave用来接收读请求。项目中使用到redis的场景，一般是读多写少的，因此我们可以用多个slave来缓解读请求压力，达到支撑10万+读QPS的目的。

需要说明的是，redis主从架构实现了读写分离，缓解了单机的读请求压力，提升了整个redis的读QPS。如果我们需要实现更高的读QPS，就可以加一些slave节点，所以我们说redis主从架构其实是可支持水平扩展的读高并发架构。

接下来，我们就来分析一下redis主从架构（redis replication)的相关原理。

master持久化对于主从架构的安全保障的意义

在正式讲解主从架构的原理之前，我们先聊一下master持久化对于主从架构的安全保障。

如果采用了主从架构，那么建议必须开启master node的持久化。

不建议用slave node作为master node的数据热备，因为那样的话，如果你关掉master的持久化，可能在master宕机重启的时候数据是空的，然后可能一经过复制，slave node数据也丢了。

我们设想一个场景，master关闭了RDB和AOF持久化，那么此时master中的数据全部在内存中；此时，master宕机重启后，本地磁盘中是没有数据可以恢复的，就会直接认为本地数据为空的，那么就会将空的数据集同步给slave，那么slave的数据会被全部清空，造成slave数据百分百丢失。

因此我们一定要注意：master节点，必须要使用持久化机制

其次，master的各种备份方案，也是要做的，万一说本地的所有文件丢失了，我们还可以从备份中挑选一份rdb去恢复master，这样才能确保master启动的时候，是有数据的。

redis replication最基本的原理

redis主从基本架构图

1. redis采用 异步方式复制数据到slave节点，不过redis 2.8开始，slave node会周期性地确认自己每次复制的数据量
2. 一个master node可以配置多个slave node
3. slave node也可以连接其他的slave node
4. slave node做复制的时候，是不会block master node的正常工作的（异步）
5. slave node在做复制的时候，也不会block对自己的查询操作，它会用 旧的数据集来提供服务; 但是 复制完成的时候，需要删除旧数据集，加载新数据集，这个时候就会 暂停对外服务了
6. slave node主要用来进行 横向扩容，做读写分离，扩容的slave node可以提高读的吞吐量

redis主从架构的核心原理

当启动一个slave node的时候，它会发送一个PSYNC命令给master node。

如果这是slave node重新连接master node，那么master node仅仅会复制给slave部分缺少的数据; 否则如果是slave node第一次连接master node，那么会触发一次full resynchronization（全量复制）

开始full resynchronization的时候，master会启动一个后台线程，开始生成一份RDB快照文件，同时还会将从客户端收到的所有写命令缓存在内存中。RDB文件生成完毕之后，master会将这个RDB发送给slave，slave会先写入本地磁盘，然后再从本地磁盘加载到内存中。然后master会将内存中缓存的写命令发送给slave，slave也会同步这些数据。

slave node如果跟master node有网络故障，断开了连接，会自动重连。master如果发现有多个slave node都来重新连接，仅仅会启动一个rdb save操作，用一份数据服务所有slave node。

主从复制的断点续传

从redis 2.8开始，就支持主从复制的断点续传，如果主从复制过程中，网络连接断掉了，那么可以接着上次复制的地方，继续复制下去，而不是从头开始复制一份。

master node会在内存中常见一个backlog，master和slave都会保存一个replica offset还有一个master id，offset就是保存在backlog中的。如果master和slave网络连接断掉了，slave会让master从上次的replica offset开始继续复制。

但是如果没有找到对应的offset，那么就会执行一次resynchronization

无磁盘化复制

master在内存中直接创建rdb，然后发送给slave，不会在自己本地落地磁盘。

repl-diskless-sync repl-diskless-sync-delay，等待一定时长再开始复制，因为要等更多slave重新连接过来。

过期key处理

slave不会过期key，只会等待master过期key。如果master过期了一个key，或者通过LRU淘汰了一个key，那么会模拟一条del命令发送给slave。

复制的完整流程

redis主从复制流程

1. slave node启动，仅仅保存master node的信息，包括master node的host和ip，但是复制流程没开始

   master host和ip是在redis.conf里面的slaveof配置的

2. slave node内部有个定时任务，每秒检查是否有新的master node要连接和复制，如果发现，就跟master node建立socket网络连接

3. slave node发送ping命令给master node

4. 口令认证，如果master设置了requirepass，那么slave node必须发送masterauth的口令过去进行认证

5. master node第一次执行全量复制，将所有数据发给slave node

6. master node后续持续将写命令，异步复制给slave node

数据同步相关的核心机制

这里指的是第一次slave连接master的时候，执行的全量复制细节

1. master和slave都会维护一个offset

   master会在自身不断累加offset，slave也会在自身不断累加offset slave每秒都会上报自己的offset给master，同时master也会保存每个slave的offset

   这个倒不是说特定就用在全量复制的，主要是master和slave都要知道各自的数据的offset，才能知道互相之间的数据不一致的情况。

2. backlog（备份日志）

• master node有一个backlog，默认是1MB大小
• master node给slave node复制数据时，也会将数据在backlog中同步写一份
• backlog主要是用来做 全量复制中断后的增量复制。

3. master run id

   info server，可以看到master run id 如果根据host+ip定位master node，是不靠谱的，如果master node重启或者数据出现了变化，slave node应该根据不同的run id区分，run id不同就做全量复制如果需要不更改run id重启redis，可以使用redis-cli debug reload命令

   只要master的run id变化了，slave就执行一次全量复制

4. psync

   从节点使用psync从master node进行复制，psync runid offset master node会根据自身的情况返回响应信息，可能是FULLRESYNC runid offset触发全量复制，可能是CONTINUE触发增量复制

全量复制(耗时)

redis全量复制

1. master执行bgsave，在本地生成一份rdb快照文件
2. master node将rdb快照文件发送给salve node，如果rdb复制时间超过60秒（repl-timeout），那么slave node就会认为复制失败，可以适当调节大这个参数
3. 对于千兆网卡的机器，一般每秒传输100MB，6G文件，很可能超过60s
4. master node在生成rdb时，会将 所有新的写命令缓存在内存中， 在slave node保存了rdb之后，再将新的写命令复制给slave node
5. client-output-buffer-limit slave 256MB 64MB 60，如果在复制期间，内存缓冲区持续消耗超过64MB，或者一次性超过256MB，那么停止复制，复制失败
6. slave node接收到rdb之后， 清空自己的旧数据，然后重新加载rdb到自己的内存中，同时基于旧的数据版本对外提供服务
7. 如果slave node开启了AOF， 那么会立即执行BGREWRITEAOF，重写AOF

rdb生成、rdb通过网络拷贝、slave旧数据的清理、slave aof rewrite，很耗费时间

如果复制的数据量在4G~6G之间，那么很可能全量复制时间消耗到1分半到2分钟

增量复制（异常情况）

1. 如果全量复制过程中，master-slave网络连接断掉，那么slave重新连接master时，会触发增量复制
2. master直接从自己的backlog中获取部分丢失的数据，发送给slave node，默认backlog就是1MB
3. master就是根据slave发送的psync中的offset来从backlog中获取数据的

heartbeat

主从节点互相都会发送heartbeat信息

master默认每隔10秒发送一次heartbeat，salve node每隔1秒发送一个heartbeat

异步复制

master每次接收到写命令之后，先在内部写入数据，然后异步发送给slave node。

总结

本文先从为什么redis需要实现读写分离来阐述，引出了主从架构实现的读写分离，然后对redis的主从同步原理做了详细的说明，并配合了一些图片方便读者来理解，希望读者看完可以有所收获，谢谢大家！

特别感谢

感谢中华石杉老师的讲解，让我对redis的主从同步有了比较深入的理解，谢谢您大白话式的讲解，真的太好了！