Redis集群-主从模型

更多Redis入门系列文章，参见Redis入门-大纲

主从模式

redis单例提供了一种数据缓存方式和丰富的数据操作api，但是将数据完全存储在单个redis中主要存在两个问题：数据备份和数据体量较大造成的性能降低。

这里redis的主从模式为这两个问题提供了一个较好的解决方案。主从模式指的是使用一个redis实例作为主机，其余的实例作为备份机。主机和从机的数据完全一致，主机支持数据的写入和读取等各项操作，而从机则只支持与主机数据的同步和读取。也就是说，客户端可以将数据写入到主机，由主机自动将数据的写入操作同步到从机。

主从模式很好的解决了数据备份问题，并且由于主从服务数据几乎是一致的，因而可以将写入数据的命令发送给主机执行，而读取数据的命令发送给不同的从机执行，从而达到读写分离的目的。

对有密码的情况，当master节点设置密码时：

• 客户端访问master需要密码

• 启动slave需要密码，在配置中进行配置即可

• 客户端访问slave不需要密码

主从模式要点：

• 一个Master可以有多个Slaves。

• 默认配置下，master节点可以进行读和写，slave节点只能进行读操作，写操作被禁止。

• 不要修改配置让slave节点支持写操作，没有意义，原因一，写入的数据不会被同步到其他节点；原因二，当master节点修改同一条数据后，slave节点的数据会被覆盖掉。

• slave节点挂了不影响其他slave节点的读和master节点的读和写，重新启动后会将数据从master节点同步过来。

• master节点挂了以后，不影响slave节点的读，Redis将不再提供写服务，master节点启动后Redis将重新对外提供写服务。

• 单就主从模式而言，master节点挂了以后，redis不会从slave节点重新选一个做master。

主从模型问题：

• 主从节点均为独立redis实例，都使用的不同的ip和端口号。 某个从节点挂了，对该节点的请求会被挂起。

• 主从模式下，主节点挂了，整个系统不能接受写请求，所有从节点失去同步。

主从模式配置

主从模式其实也是多个redis实例组成的，因而redis主从模式的配置可以理解为多个不同的redis实例通过一定的配置告知其相互之间的主从关系。每个redis实例都会占用一个本机的端口号，主从模式的配置主要的配置点有两个：当前实例端口号和当前实例是主机还是从机，是从机的话其主机的ip和端口是什么。

通过.conf文件配置主从关系一例：

主6379.conf

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bind 127.0.0.1
port 6379
logfile "6379.log"
dbfilename "dump-6379.rdb"

从6380.conf

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bind 127.0.0.1
port 6380
logfile "6380.log"
dbfilename "dump-6380.rdb"
slaveof 127.0.0.1 6379

也可以在启动相关redis实例之后使用slaveof命令来指定当前节点称为某个节点的从节点，如

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127.0.0.1:6380> slaveof 127.0.0.1 6379

主从复制/同步

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）。

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。

主从复制的作用：

• 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。

• 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。

• 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。

• 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。

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

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。

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。

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。

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：

• 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。
• 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。
• 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。

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。

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。

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，开始同步。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。

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。
命令传播阶段。

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。

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：

• 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。

• 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。

• 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。

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。

全量复制与部分复制

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。在主从服务器断线期间， 主从服务器断开的时间越短，主服务器在断线期间执行的写命令就越少，而执行少量写命令所产生的数据量通常比整个数据库的数据量要少得多，在这种情况下，为了让从服务器补足一小部分缺失的数据，却要让主从服务器重新执行一次SYNC命令，这种做法无疑是非常低效的。

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。部分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。

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。

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。

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：

• 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。

• 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。

• 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。

部分复制

1.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；
• 通过对比主从服务器的复制偏移量，程序可以很容易地知道主从服务器是否处于一致状态：如果主从服务器处于一致状态，那么主从服务器两者的偏移量总是相同的；相反，如果主从服务器两者的偏移量并不相同，那么说明主从服务器并未处于一致状态。

可知，选择复制偏移量最大的从节点即数据状态最接近主服务器的节点

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.runid

runid是由一个getRandomHexChars()函数生成的由40个随机的十六进制字符组成唯一标识，不同Redis实例之间该runid是不同的，同一个Redis重启以后，其runid和之前的runid也是不同的。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。

psync命令的执行

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 ，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。

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 ，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。