深入学习Redis主从复制（上）

Posted 2020-12-05 小小野马

 

前言

在前面的两篇文章中，分别介绍了Redis的内存模型和Redis的持久化。

 

在Redis的持久化中曾提到，Redis高可用的方案包括持久化、主从复制（及读写分离）、哨兵和集群。其中持久化侧重解决的是Redis数据的单机备份问题（从内存到硬盘的备份）；而主从复制则侧重解决数据的多机热备。此外，主从复制还可以实现负载均衡和故障恢复。

 

这篇文章中，将详细介绍Redis主从复制的方方面面，包括：如何使用主从复制、主从复制的原理（重点是全量复制和部分复制、以及心跳机制）、实际应用中需要注意的问题（如数据不一致问题、复制超时问题、复制缓冲区溢出问题）、主从复制相关的配置（重点是repl-timeout、client-output-buffer-limit slave）等。

 

目录

一、主从复制概述

二、如何使用主从复制

    1.    建立复制

    2.    实例

    3.    断开复制

三、主从复制的实现原理

    1.    连接建立阶段

    2.    数据同步阶段

    3.    命令传播阶段

四、【数据同步阶段】全量复制和部分复制

    1.    全量复制

    2.    部分复制

    3.    psync命令的执行

    4.    部分复制演示

五、【命令传播阶段】心跳机制

    1.    主->从：PING

    2.    从->主：REPLCONF ACK

六、应用中的问题

    1.    读写分离及其中的问题

    2.    复制超时问题

    3.    复制中断问题

    4.    各场景下复制的选择及优化技巧

    5.    复制相关的配置

    6.    单机内存大小限制

    7.    info Replication

七、总结

 

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。

 

默认情况下，每台Redis服务器都是主节点；且一个主节点可以有多个从节点(或没有从节点)，但一个从节点只能有一个主节点。

 

主从复制的作用

主从复制的作用主要包括：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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

为了更直观的理解主从复制，在介绍其内部原理之前，先说明我们需要如何操作才能开启主从复制。

 

1. 建立复制

需要注意，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：

1、配置文件

在从服务器的配置文件中加入：slaveof <masterip> <masterport>

2、启动命令

redis-server启动命令后加入 --slaveof <masterip> <masterport>

3、客户端命令

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

 

上述3种方式是等效的，下面以客户端命令的方式为例，看一下当执行了slaveof后，Redis主节点和从节点的变化。

 

2. 实例

准备工作：启动两个节点

方便起见，实验所使用的主从节点是在一台机器上的不同Redis实例，其中主节点监听6379端口，从节点监听6380端口；从节点监听的端口号可以在配置文件中修改：

启动后可以看到：

两个Redis节点启动后（分别称为6379节点和6380节点），默认都是主节点。

 

建立复制

此时在6380节点执行slaveof命令，使之变为从节点：

 

观察效果

下面验证一下，在主从复制建立后，主节点的数据会复制到从节点中。

1、首先在从节点查询一个不存在的key：

2、然后在主节点中增加这个key：

3、此时在从节点中再次查询这个key，会发现主节点的操作已经同步至从节点：

4、然后在主节点删除这个key：

5、此时在从节点中再次查询这个key，会发现主节点的操作已经同步至从节点：

 

3. 断开复制

通过slaveof <masterip> <masterport>命令建立主从复制关系以后，可以通过slaveof no one断开。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。

 

从节点执行slaveof no one后，打印日志如下所示；可以看出断开复制后，从节点又变回为主节点。

主节点打印日志如下：

 

三、主从复制的实现原理

上面一节中，介绍了如何操作可以建立主从关系；本小节将介绍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。

 

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。

 

这个过程中，可以看到从节点打印日志如下：

 

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。

 

这个过程中，从节点打印日志如下：

 

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。

 

在主节点返回pong情况下，从节点打印日志如下：

 

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

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

主从节点之间的连接建立以后，便可以开始进行数据同步，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。

 

数据同步阶段是主从复制最核心的阶段，根据主从节点当前状态的不同，可以分为全量复制和部分复制，下面会有一章专门讲解这两种复制方式以及psync命令的执行过程，这里不再详述。

 

需要注意的是，在数据同步阶段之前，从节点是主节点的客户端，主节点不是从节点的客户端；而到了这一阶段及以后，主从节点互为客户端。原因在于：在此之前，主节点只需要响应从节点的请求即可，不需要主动发请求，而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

数据同步阶段完成后，主从节点进入命令传播阶段；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。

 

在命令传播阶段，除了发送写命令，主从节点还维持着心跳机制：PING和REPLCONF ACK。由于心跳机制的原理涉及部分复制，因此将在介绍了部分复制的相关内容后单独介绍该心跳机制。

 

延迟与不一致

需要注意的是，命令传播是异步的过程，即主节点发送写命令后并不会等待从节点的回复；因此实际上主从节点之间很难保持实时的一致性，延迟在所难免。数据不一致的程度，与主从节点之间的网络状况、主节点写命令的执行频率、以及主节点中的repl-disable-tcp-nodelay配置等有关。

 

repl-disable-tcp-nodelay no：该配置作用于命令传播阶段，控制主节点是否禁止与从节点的TCP_NODELAY；默认no，即不禁止TCP_NODELAY。当设置为yes时，TCP会对包进行合并从而减少带宽，但是发送的频率会降低，从节点数据延迟增加，一致性变差；具体发送频率与Linux内核的配置有关，默认配置为40ms。当设置为no时，TCP会立马将主节点的数据发送给从节点，带宽增加但延迟变小。

 

一般来说，只有当应用对Redis数据不一致的容忍度较高，且主从节点之间网络状况不好时，才会设置为yes；多数情况使用默认值no。

 

四、【数据同步阶段】全量复制和部分复制

在Redis2.8以前，从节点向主节点发送sync命令请求同步数据，此时的同步方式是全量复制；在Redis2.8及以后，从节点可以发送psync命令请求同步数据，此时根据主从节点当前状态的不同，同步方式可能是全量复制或部分复制。后文介绍以Redis2.8及以后版本为例。

 

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。

 

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。

 

1. 全量复制

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。

 

下面是执行全量复制时，主从节点打印的日志；可以看出日志内容与上述步骤是完全对应的。

 

主节点的打印日志如下：

从节点打印日志如下图所示：

其中，有几点需要注意：从节点接收了来自主节点的89260个字节的数据；从节点在载入主节点的数据之前要先将老数据清除；从节点在同步完数据后，调用了bgrewriteaof。

 

通过全量复制的过程可以看出，全量复制是非常重型的操作：

1. 主节点通过bgsave命令fork子进程进行RDB持久化，该过程是非常消耗CPU、内存(页表复制)、硬盘IO的；关于bgsave的性能问题，可以参考 深入学习Redis（2）：持久化。

2. 主节点通过网络将RDB文件发送给从节点，对主从节点的带宽都会带来很大的消耗。

3. 从节点清空老数据、载入新RDB文件的过程是阻塞的，无法响应客户端的命令；如果从节点执行bgrewriteaof，也会带来额外的消耗。

 

2. 部分复制

由于全量复制在主节点数据量较大时效率太低，因此Redis2.8开始提供部分复制，用于处理网络中断时的数据同步。

 

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。例如，如果主节点的offset是1000，而从节点的offset是500，那么部分复制就需要将offset为501-1000的数据传递给从节点。而offset为501-1000的数据存储的位置，就是下面要介绍的复制积压缓冲区。

 

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。反过来说，为了提高网络中断时部分复制执行的概率，可以根据需要增大复制积压缓冲区的大小(通过配置repl-backlog-size)；例如如果网络中断的平均时间是60s，而主节点平均每秒产生的写命令(特定协议格式)所占的字节数为100KB，则复制积压缓冲区的平均需求为6MB，保险起见，可以设置为12MB，来保证绝大多数断线情况都可以使用部分复制。

 

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。通过info Server命令，可以查看节点的runid：

 

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。

 

3. psync命令的执行

在了解了复制偏移量、复制积压缓冲区、节点运行id之后，本节将介绍psync命令的参数和返回值，从而说明psync命令执行过程中，主从节点是如何确定使用全量复制还是部分复制的。

 

psync命令的执行过程可以参见下图（图片来源：《Redis设计与实现》）：

 

1、首先，从节点根据当前状态，决定如何调用psync命令：

• 如果从节点之前未执行过slaveof或最近执行了slaveof no one，则从节点发送命令为psync ? -1，向主节点请求全量复制；

• 如果从节点之前执行了slaveof，则发送命令为psync <runid> <offset>，其中runid为上次复制的主节点的runid，offset为上次复制截止时从节点保存的复制偏移量。

2、主节点根据收到的psync命令，及当前服务器状态，决定执行全量复制还是部分复制：

• 如果主节点版本低于Redis2.8，则返回-ERR回复，此时从节点重新发送sync命令执行全量复制；

• 如果主节点版本够新，且runid与从节点发送的runid相同，且从节点发送的offset之后的数据在复制积压缓冲区中都存在，则回复+CONTINUE，表示将进行部分复制，从节点等待主节点发送其缺少的数据即可；

• 如果主节点版本够新，但是runid与从节点发送的runid不同，或从节点发送的offset之后的数据已不在复制积压缓冲区中(在队列中被挤出了)，则回复+FULLRESYNC <runid> <offset>，表示要进行全量复制，其中runid表示主节点当前的runid，offset表示主节点当前的offset，从节点保存这两个值，以备使用。

 

4. 部分复制演示

在下面的演示中，网络中断几分钟后恢复，断开连接的主从节点进行了部分复制；为了便于模拟网络中断，本例中的主从节点在局域网中的两台机器上。

 

网络中断

网络中断一段时间后，主节点和从节点都会发现失去了与对方的连接（关于主从节点对超时的判断机制，后面会有说明）；此后，从节点便开始执行对主节点的重连，由于此时网络还没有恢复，重连失败，从节点会一直尝试重连。

 

主节点日志如下：

从节点日志如下：

 

网络恢复

网络恢复后，从节点连接主节点成功，并请求进行部分复制，主节点接收请求后，二者进行部分复制以同步数据。

 

主节点日志如下：

从节点日志如下：

 

五、【命令传播阶段】心跳机制

在命令传播阶段，除了发送写命令，主从节点还维持着心跳机制：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。

 

1.主->从：PING

每隔指定的时间，主节点会向从节点发送PING命令，这个PING命令的作用，主要是为了让从节点进行超时判断。

 

PING发送的频率由repl-ping-slave-period参数控制，单位是秒，默认值是10s。

 

关于该PING命令究竟是由主节点发给从节点，还是相反，有一些争议；因为在Redis的官方文档中，对该参数的注释中说明是从节点向主节点发送PING命令，如下图所示：

但是根据该参数的名称(含有ping-slave)，以及代码实现，我认为该PING命令是主节点发给从节点的。相关代码如下：

 

2. 从->主：REPLCONF ACK

在命令传播阶段，从节点会向主节点发送REPLCONF ACK命令，频率是每秒1次；命令格式为：REPLCONF ACK {offset}，其中offset指从节点保存的复制偏移量。REPLCONF ACK命令的作用包括：

 

1、实时监测主从节点网络状态：该命令会被主节点用于复制超时的判断。此外，在主节点中使用info Replication，可以看到其从节点的状态中的lag值，代表的是主节点上次收到该REPLCONF ACK命令的时间间隔，在正常情况下，该值应该是0或1，如下图所示：

 

2、检测命令丢失：从节点发送了自身的offset，主节点会与自己的offset对比，如果从节点数据缺失（如网络丢包），主节点会推送缺失的数据（这里也会利用复制积压缓冲区）。注意，offset和复制积压缓冲区，不仅可以用于部分复制，也可以用于处理命令丢失等情形；区别在于前者是在断线重连后进行的，而后者是在主从节点没有断线的情况下进行的。

 

3、辅助保证从节点的数量和延迟：Redis主节点中使用min-slaves-to-write和min-slaves-max-lag参数，来保证主节点在不安全的情况下不会执行写命令；所谓不安全，是指从节点数量太少，或延迟过高。例如min-slaves-to-write和min-slaves-max-lag分别是3和10，含义是如果从节点数量小于3个，或所有从节点的延迟值都大于10s，则主节点拒绝执行写命令。而这里从节点延迟值的获取，就是通过主节点接收到REPLCONF ACK命令的时间来判断的，即前面所说的info Replication中的lag值。

（后半部分移步【深入学习Redis】主从复制（下））