话说：Redis主从复制

Posted 2021-04-07 微尚联HaveOne

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成大事不在于力量的大小，而在于能坚持多久。——约翰逊

引导语

Redis支持主从复制功能，用户可以通过执行slaveof命令或者在配置文件中设置slaveof选项来开启复制功能。

我们先来了解下主从复制功能，因为哨兵模式和集群模式都使用到了此功能。

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简介主从复制

在Redis中，用户可以通过执行SLAVEOF命令或者设置slaveof选项，让一个服务器去复制（replicate）另一个服务器，我们称呼被复制的服务器为主服务器（master），而对主服务器进行复制的服务器则被称为从服务器（slave），如图所示。

主服务器和从服务器：

127.0.0.1:12345> slaveof 127.0.0.1 6379

那么服务器127.0.0.1:12345将成为127.0.0.1:6379的从服务器，而服务器127.0.0.1:6379则会成为127.0.0.1:12345的主服务器。

进行复制中的主从服务器双方的数据库将保存相同的数据，概念上将这种现象称作“数据库状态一致”，或者简称“一致”。

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复制功能实现

为了解决旧版复制功能在处理断线重复制情况时的低效问题，Redis从2.8版本开始，使用PSYNC命令代替SYNC命令（非常耗费资源的操作）来执行复制时的同步操作。

PSYNC命令具有完整重同步和部分重同步两种模式：

a. 其中完整重同步用于处理初次复制情况：完整重同步的执行步骤和SYNC命令的执行步骤基本一样，它们都是通过让主服务器创建并发送RDB文件，以及向从服务器发送保存在缓冲区里面的写命令来进行同步。

b. 而部分重同步则用于处理断线后重复制情况：当从服务器在断线后重新连接主服务器时，如果条件允许，主服务器可以将主从服务器连接断开期间执行的写命令发送给从服务器，从服务器只要接收并执行这些写命令，就可以将数据库更新至主服务器当前所处的状态。

虽然SYNC命令和PSYNC命令都可以让断线的主从服务器重新回到一致状态，但执行部分重同步所需的资源比起执行SYNC命令所需的资源要少得多，完成同步的速度也快得多。执行SYNC命令需要生成、传送和载入整个RDB文件，而部分重同步只需要将从服务器缺少的写命令发送给从服务器执行就可以了。

PSYNC命令的部分重同步模式解决了旧版复制功能在处理断线后重复制时出现的低效情况。

主从服务器执行部分重同步的过程：

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部分重同步实现

部分重同步功能由以下三个部分构成：

· 主服务器的复制偏移量（replication offset）和从服务器的复制偏移量。

· 主服务器的复制积压缓冲区（replication backlog）。

· 服务器的运行ID（run ID）。

复制偏移量

执行复制的双方——主服务器和从服务器会分别维护一个复制偏移量：

· 主服务器每次向从服务器传播N个字节的数据时，就将自己的复制偏移量的值加上N。

· 从服务器每次收到主服务器传播来的N个字节的数据时，就将自己的复制偏移量的值加上N。

此处举例特殊情况

因为断线而处于不一致状态的从服务器A：

假设从服务器A在断线之后就立即重新连接主服务器，并且成功，那么接下来，从服务器将向主服务器发送PSYNC命令，报告从服务器A当前的复制偏移量为10086，那么这时，主服务器应该对从服务器执行完整重同步还是部分重同步呢？如果执行部分重同步的话，主服务器又如何补偿从服务器A在断线期间丢失的那部分数据呢？以上问题的答案都和复制积压缓冲区有关。

复制积压缓冲区

复制积压缓冲区是由主服务器维护的一个固定长度（fixed-size）先进先出（FIFO）队列，默认大小为1MB。

主服务器向复制积压缓冲区和所有从服务器传播写命令数据：

因此，主服务器的复制积压缓冲区里面会保存着一部分最近传播的写命令，并且复制积压缓冲区会为队列中的每个字节记录相应的复制偏移量，就像表15-4展示的那样。

当从服务器重新连上主服务器时，从服务器会通过PSYNC命令将自己的复制偏移量offset发送给主服务器，主服务器会根据这个复制偏移量来决定对从服务器执行何种同步操作：

· 如果offset偏移量之后的数据（也即是偏移量offset+1开始的数据）仍然存在于复制积压缓冲区里面，那么主服务器将对从服务器执行部分重同步操作。

· 相反，如果offset偏移量之后的数据已经不存在于复制积压缓冲区，那么主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

根据需要调整复制积压缓冲区的大小：

可以根据公式2*second*write_size_per_second，这样可以保证绝大部分断线情况都能用部分重同步来处理。

· 其中second为从服务器断线后重新连接上主服务器所需的平均时间（以秒计算）。

· 而write_size_per_second则是主服务器平均每秒产生的写命令数据量（协议格式的写命令的长度总和）。

至于复制积压缓冲区大小的修改方法，可以参考配置文件中关于repl-backlog-size选项的说明。

服务器运行ID

除了复制偏移量和复制积压缓冲区之外，实现部分重同步还需要用到服务器运行ID（run ID）：

· 每个Redis服务器，不论主服务器还是从服务，都会有自己的运行ID。

· 运行ID在服务器启动时自动生成，由40个随机的十六进制字符组成，例如53b9b28df8042fdc9ab5e3fcbbbabff1d5dce2b3。

当从服务器对主服务器进行初次复制时，主服务器会将自己的运行ID传送给从服务器，而从服务器则会将这个运行ID保存起来。

当从服务器断线并重新连上一个主服务器时，从服务器将向当前连接的主服务器发送之前保存的运行ID：

· 如果从服务器保存的运行ID和当前连接的主服务器的运行ID相同，那么说明从服务器断线之前复制的就是当前连接的这个主服务器，主服务器可以继续尝试执行部分重同步操作。

· 相反地，如果从服务器保存的运行ID和当前连接的主服务器的运行ID并不相同，那么说明从服务器断线之前复制的主服务器并不是当前连接的这个主服务器，主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

PSYNC执行完整重同步和部分重同步时可能遇上的情况：

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主从复制的实现

通过向从服务器发送SLAVEOF命令，我们可以让一个从服务器去复制一个主服务器：

slaveof <master_ip> <master_port>

以下复制功能的详细实现步骤：

127.0.0.1:12345> slaveof 127.0.0.1 6379

a-2：从服务器创建连向主服务器的套接字

主服务器和从服务器之间的关系

a-3:从服务器向主服务器发送PING

从服务器在发送PING命令时可能遇上的情况：

a-4: 从服务器向主服务器验证身份

从服务器在身份验证阶段可能遇上的情况:

a-5: 从服务器向主服务器发送监听端口

a-6: 同步

从服务器将向主服务器发送PSYNC命令，执行同步操作，并将自己的数据库更新至主服务器数据库当前所处的状态。

在同步操作执行之前，只有从服务器是主服务器的客户端，但是在执行同步操作之后，主服务器也会成为从服务器的客户端。

主从服务器之间互为客户端：

a-7:命令传播

当完成了同步之后，主从服务器就会进入命令传播阶段，这时主服务器只要一直将自己执行的写命令发送给从服务器，而从服务器只要一直接收并执行主服务器发来的写命令，就可以保证主从服务器一直保持一致了。

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心跳检测

在命令传播阶段，从服务器默认会以每秒一次的频率，向主服务器发送命令：

replconf ack <replication_offset>

其中replication_offset是从服务器当前的复制偏移量。

发送REPLCONF ACK命令对于主从服务器有三个作用：

· 检测主从服务器的网络连接状态

主从服务器可以通过发送和接收REPLCONF ACK命令来检查两者之间的网络连接是否正常：如果主服务器超过一秒钟没有收到从服务器发来的REPLCONF ACK命令，那么主服务器就知道主从服务器之间的连接出现问题了。

通过向主服务器发送INFO replication命令，在列出的从服务器列表的lag一栏中，我们可以看到相应从服务器最后一次向主服务器发送REPLCONF ACK命令距离现在过了多少秒。

在一般情况下，lag的值应该在0秒或者1秒之间跳动，如果超过1秒的话，那么说明主从服务器之间的连接出现了故障。

· 辅助实现min-slaves选项

Redis的min-slaves-to-write和min-slaves-max-lag两个选项可以防止主服务器在不安全的情况下执行写命令。

min-slaves-to-write 3

min-slaves-max-lag 10

那么在从服务器(健康的)的数量少于3个，或者三个从服务器的延迟（lag）值都大于或等于10秒时，主服务器将拒绝执行写命令，这里的延迟值就是上面提到的INFOreplication命令的lag值。

· 检测命令丢失

如果因为网络故障，主服务器传播给从服务器的写命令在半路丢失，那么当从服务器向主服务器发送REPLCONF ACK命令时，主服务器将发觉从服务器当前的复制偏移量少于自己的复制偏移量，然后主服务器就会根据从服务器提交的复制偏移量，在复制积压缓冲区里面找到从服务器缺少的数据，并将这些数据重新发送给从服务器。

注意，主服务器向从服务器补发缺失数据这一操作的原理和部分重同步操作的原理非常相似，这两个操作的区别在于，补发缺失数据操作在主从服务器没有断线的情况下执行，而部分重同步操作则在主从服务器断线并重连之后执行。

redis 2.8及以上版本

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总结

· Redis 2.8以前的复制功能不能高效地处理断线后重复制情况，但Redis2.8新添加的部分重同步功能可以解决这个问题。

· 部分重同步通过复制偏移量、复制积压缓冲区、服务器运行ID三个部分来实现。

· 在复制操作刚开始的时候，从服务器会成为主服务器的客户端，并通过向主服务器发送命令请求来执行复制步骤，而在复制操作的后期，主从服务器会互相成为对方的客户端。

· 主服务器通过向从服务器传播命令来更新从服务器的状态，保持主从服务器一致，而从服务器则通过向主服务器发送命令来进行心跳检测，以及命令丢失检测。

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