深入Redis 主從復(fù)制原理

復(fù)制原理

1.復(fù)制過程

復(fù)制的過程步驟如下：

• 從節(jié)點執(zhí)行 slaveof 命令
• 從節(jié)點只是保存了 slaveof 命令中主節(jié)點的信息，并沒有立即發(fā)起復(fù)制
• 從節(jié)點內(nèi)部的定時任務(wù)發(fā)現(xiàn)有主節(jié)點的信息，開始使用 socket 連接主節(jié)點
• 連接建立成功后，發(fā)送 ping 命令，希望得到 pong 命令響應(yīng)，否則會進行重連
• 如果主節(jié)點設(shè)置了權(quán)限，那么就需要進行權(quán)限驗證；如果驗證失敗，復(fù)制終止。
• 權(quán)限驗證通過后，進行數(shù)據(jù)同步，這是耗時最長的操作，主節(jié)點將把所有的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給從節(jié)點。
• 當主節(jié)點把當前的數(shù)據(jù)同步給從節(jié)點后，便完成了復(fù)制的建立流程。接下來，主節(jié)點就會持續(xù)的把寫命令發(fā)送給從節(jié)點，保證主從數(shù)據(jù)一致性。
  

2.數(shù)據(jù)間的同步

上面說的復(fù)制過程，其中有一個步驟是“同步數(shù)據(jù)集”，這個就是現(xiàn)在講的‘數(shù)據(jù)間的同步’。

redis 同步有 2 個命令：

sync 和 psync，前者是 redis 2.8 之前的同步命令，后者是 redis 2.8 為了優(yōu)化 sync 新設(shè)計的命令。我們會重點關(guān)注 2.8 的 psync 命令。

psync 命令需要 3 個組件支持：

• 主從節(jié)點各自復(fù)制偏移量
• 主節(jié)點復(fù)制積壓緩沖區(qū)
• 主節(jié)點運行 ID

主從節(jié)點各自復(fù)制偏移量：

• 參與復(fù)制的主從節(jié)點都會維護自身的復(fù)制偏移量。
• 主節(jié)點在處理完寫入命令后，會把命令的字節(jié)長度做累加記錄，統(tǒng)計信息在 info replication 中的masterreploffset 指標中。
• 從節(jié)點每秒鐘上報自身的的復(fù)制偏移量給主節(jié)點，因此主節(jié)點也會保存從節(jié)點的復(fù)制偏移量。
• 從節(jié)點在接收到主節(jié)點發(fā)送的命令后，也會累加自身的偏移量，統(tǒng)計信息在 info replication 中。
• 通過對比主從節(jié)點的復(fù)制偏移量，可以判斷主從節(jié)點數(shù)據(jù)是否一致。

主節(jié)點復(fù)制積壓緩沖區(qū)：

• 復(fù)制積壓緩沖區(qū)是一個保存在主節(jié)點的一個固定長度的先進先出的隊列。默認大小 1MB。
• 這個隊列在 slave 連接是創(chuàng)建。這時主節(jié)點響應(yīng)寫命令時，不但會把命令發(fā)送給從節(jié)點，也會寫入復(fù)制緩沖區(qū)。
• 他的作用就是用于部分復(fù)制和復(fù)制命令丟失的數(shù)據(jù)補救。通過 info replication 可以看到相關(guān)信息。

主節(jié)點運行 ID：

• 每個 redis 啟動的時候，都會生成一個 40 位的運行 ID。
• 運行 ID 的主要作用是用來識別 Redis 節(jié)點。如果使用 ip+port 的方式，那么如果主節(jié)點重啟修改了 RDB/AOF 數(shù)據(jù)，從節(jié)點再基于偏移量進行復(fù)制將是不安全的。所以，當運行 id 變化后，從節(jié)點將進行全量復(fù)制。也就是說，redis 重啟后，默認從節(jié)點會進行全量復(fù)制。

如果在重啟時不改變運行 ID 呢？

• 可以通過 debug reload 命令重新加載 RDB 并保持運行 ID 不變。從而有效的避免不必要的全量復(fù)制。
• 他的缺點則是：debug reload 命令會阻塞當前 Redis 節(jié)點主線程，因此對于大數(shù)據(jù)量的主節(jié)點或者無法容忍阻塞的節(jié)點，需要謹慎使用。一般通過故障轉(zhuǎn)移機制可以解決這個問題。

psync 命令的使用方式：

命令格式為psync{runId}{offset}

runId：從節(jié)點所復(fù)制主節(jié)點的運行 id
offset：當前從節(jié)點已復(fù)制的數(shù)據(jù)偏移量

psync 執(zhí)行流程：

流程說明：從節(jié)點發(fā)送 psync 命令給主節(jié)點，runId 就是目標主節(jié)點的 ID，如果沒有默認為 -1，offset 是從節(jié)點保存的復(fù)制偏移量，如果是第一次復(fù)制則為 -1.

主節(jié)點會根據(jù) runid 和 offset 決定返回結(jié)果：

• 如果回復(fù) +FULLRESYNC {runId} {offset} ，那么從節(jié)點將觸發(fā)全量復(fù)制流程。
• 如果回復(fù) +CONTINUE，從節(jié)點將觸發(fā)部分復(fù)制。
• 如果回復(fù) +ERR，說明主節(jié)點不支持 2.8 的 psync 命令，將使用 sync 執(zhí)行全量復(fù)制。

到這里，數(shù)據(jù)之間的同步就講的差不多了，篇幅還是比較長的。主要是針對 psync 命令相關(guān)之間的介紹。

3.全量復(fù)制

全量復(fù)制是 Redis 最早支持的復(fù)制方式，也是主從第一次建立復(fù)制時必須經(jīng)歷的的階段。觸發(fā)全量復(fù)制的命令是 sync 和 psync。之前說過，這兩個命令的分水嶺版本是 2.8，redis 2.8 之前使用 sync 只能執(zhí)行全量不同，2.8 之后同時支持全量同步和部分同步。

流程如下：

介紹一下上圖步驟：

• 發(fā)送 psync 命令（spync ？ -1）
• 主節(jié)點根據(jù)命令返回 FULLRESYNC
• 從節(jié)點記錄主節(jié)點 ID 和 offset
• 主節(jié)點 bgsave 并保存 RDB 到本地
• 主節(jié)點發(fā)送 RBD 文件到從節(jié)點
• 從節(jié)點收到 RDB 文件并加載到內(nèi)存中
• 主節(jié)點在從節(jié)點接受數(shù)據(jù)的期間，將新數(shù)據(jù)保存到“復(fù)制客戶端緩沖區(qū)”，當從節(jié)點加載 RDB 完畢，再發(fā)送過去。（如果從節(jié)點花費時間過長，將導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出，最后全量同步失敗）
• 從節(jié)點清空數(shù)據(jù)后加載 RDB 文件，如果 RDB 文件很大，這一步操作仍然耗時，如果此時客戶端訪問，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，可以使用配置slave-server-stale-data 關(guān)閉.
• 從節(jié)點成功加載完 RBD 后，如果開啟了 AOF，會立刻做 bgrewriteaof。

以上加粗的部分是整個全量同步耗時的地方。

注意：

• 如過 RDB 文件大于 6GB，并且是千兆網(wǎng)卡，Redis 的默認超時機制（60 秒），會導(dǎo)致全量復(fù)制失敗?？梢酝ㄟ^調(diào)大 repl-timeout 參數(shù)來解決此問題。
• Redis 雖然支持無盤復(fù)制，即直接通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給從節(jié)點，但功能不是很完善，生產(chǎn)環(huán)境慎用。

4.部分復(fù)制

當從節(jié)點正在復(fù)制主節(jié)點時，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閃斷和其他異常，從節(jié)點會讓主節(jié)點補發(fā)丟失的命令數(shù)據(jù)，主節(jié)點只需要將復(fù)制緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到從節(jié)點就能夠保證數(shù)據(jù)的一致性，相比較全量復(fù)制，成本小很多。

步驟如下：

• 當從節(jié)點出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷，超過了 repl-timeout 時間，主節(jié)點就會中斷復(fù)制連接。
• 主節(jié)點會將請求的數(shù)據(jù)寫入到“復(fù)制積壓緩沖區(qū)”，默認 1MB。
• 當從節(jié)點恢復(fù)，重新連接上主節(jié)點，從節(jié)點會將 offset 和主節(jié)點 id 發(fā)送到主節(jié)點
• 主節(jié)點校驗后，如果偏移量的數(shù)后的數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中，就發(fā)送 cuntinue 響應(yīng) —— 表示可以進行部分復(fù)制
• 主節(jié)點將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到從節(jié)點，保證主從復(fù)制進行正常狀態(tài)。

5.心跳

主從節(jié)點在建立復(fù)制后，他們之間維護著長連接并彼此發(fā)送心跳命令。

心跳的關(guān)鍵機制如下：

• 中從都有心跳檢測機制，各自模擬成對方的客戶端進行通信，通過 client list 命令查看復(fù)制相關(guān)客戶端信息，主節(jié)點的連接狀態(tài)為 flags = M，從節(jié)點的連接狀態(tài)是 flags = S。
• 主節(jié)點默認每隔 10 秒對從節(jié)點發(fā)送 ping 命令，可修改配置 repl-ping-slave-period 控制發(fā)送頻率。
• 從節(jié)點在主線程每隔一秒發(fā)送 replconf ack{offset} 命令，給主節(jié)點上報自身當前的復(fù)制偏移量。
• 主節(jié)點收到 replconf 信息后，判斷從節(jié)點超時時間，如果超過 repl-timeout 60 秒，則判斷節(jié)點下線。

注意：為了降低主從延遲，一般把 redis 主從節(jié)點部署在相同的機房/同城機房，避免網(wǎng)絡(luò)延遲帶來的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)造成的心跳中斷等情況。

6.異步復(fù)制

主節(jié)點不但負責(zé)數(shù)據(jù)讀寫，還負責(zé)把寫命令同步給從節(jié)點，寫命令的發(fā)送過程是異步完成，也就是說主節(jié)點處理完寫命令后立即返回客戶度，并不等待從節(jié)點復(fù)制完成。

異步復(fù)制的步驟很簡單，如下：

• 主節(jié)點接受處理命令
• 主節(jié)點處理完后返回響應(yīng)結(jié)果
• 對于修改命令，異步發(fā)送給從節(jié)點，從節(jié)點在主線程中執(zhí)行復(fù)制的命令。

總結(jié)

本文主要分析了 Redis 的復(fù)制原理，包括復(fù)制過程，數(shù)據(jù)之間的同步，全量復(fù)制的流程，部分復(fù)制的流程，心跳設(shè)計，異步復(fù)制流程。

其中，可以看出，RDB 數(shù)據(jù)之間的同步非常耗時。所以，Redis 在 2.8 版本退出了類似增量復(fù)制的 psync 命令，當 Redis 主從直接發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)中斷，不會進行全量復(fù)制，而是將數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)（默認 1MB）里，在通過主從之間各自維護復(fù)制 offset 來判斷緩存區(qū)的數(shù)據(jù)是否溢出，如果沒有溢出，只需要發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)即可，成本很小，反之，則要進行全量復(fù)制，因此，控制緩沖區(qū)大小非常的重要。

好了，關(guān)于redis 主從復(fù)制的原理就介紹到這里 ，篇幅有限，難免疏漏。