Redis——Redis主从复制（工作流程详解）

主从复制简介

主从复制是为了达成高可用

• 为了避免单点Redis服务器故障，准备多台服务器，互相连通。将数据复制多个副本保存在不同的服
  务器上，连接在一起，并保证数据是同步的。
• 即使有其中一台服务器宕机，其他服务器依然可以继续提供服务，实现Redis的高可用，同时实现数据冗余备份。

• 提供数据方：master

  • 主服务器，主节点，主库
    主客户端

• 接收数据方：slave

  • 从服务器，从节点，从库
    从客户端

• 需要解决的问题

  • 数据同步

• 核心工作

  • master的数据复制到slave中

主从复制

• 主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave中

• 一个master可以拥有多个slave，一个slave只对应一个master

• 职责

  • master:

    • 写数据
    • 执行写操作时，将出现变化的数据自动同步到slave
    • 读数据（可忽略）

  • slave:

    • 读数据
    • 写数据（禁止）

主从复制的概念

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/leader)，后者称为从节点(slave/follower) ; 数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。Master以写为主，Slave以读为主。

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

1. 读写分离：主节点写，从节点读，提高服务器的读写负载能力

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 高可用（集群）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。

主从复制工作流程

总述

• 主从复制过程大体可以分为3个阶段
  • 建立连接阶段（即准备阶段）
  • 数据同步阶段
  • 命令传播阶段

阶段一：建立连接阶段

• 建立slave到master的连接，使master能够识别slave，并保存slave端口号

1. 设置master的地址和端口，保存master信息
2. 建立socket连接
3. 发送ping命令（定时器任务）
4. 身份验证
5. 发送slave端口信息

slave：保存master的地址和端口
master：保存slave的端口
总体：之间创建了socket连接

主从连接（slave连接master）

• 方式一：客户端发送命令

  slaveof <masterip> <masterport>
  

• 方式二：启动服务器参数

  redis-server -slaveof <masterip> <masterport>
  

• 方式三：服务器配置

  vim redis.conf
  slaveof <masterip> <masterport>
  

第一种方式

打开redis服务端
redis-server redis_config/redis-6379.conf	# 主机
redis-server redis_config/redis-6380.conf	# 从机

进入从机
[root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> slaveof 127.0.0.1 6379

查看主机日志信息
Synchronization with replica 127.0.0.1:6380 succeeded	

查看从机日志信息
MASTER <-> REPLICA sync: receiving 361 bytes from master to disk
2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Flushing old data
2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Loading DB in memory

说明主从已经配置完毕
测试
在主节点创建一个key
127.0.0.1:6379> set master maomao
OK

在从节点查看
127.0.0.1:6380> get master
"maomao"

还可以通过 info replication 命令查看
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379

第二种方式

在命令行直接连接
[root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf --slaveof 127.0.0.1 6379

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379

第三种方式

[root@maomao redis_config]# vim redis-6380.conf 
添加
slaveof 127.0.0.1 6379

启动redis
[root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf

[root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> get slave
"xiaotian"

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379
master_link_status:up

• 主从断开连接

  客户端发送命令
  slaveof no one

• slave断开连接后，不会删除已有数据，只是不再接受master发送的数据

在从机上
127.0.0.1:6380> slaveof no one
OK

127.0.0.1:6379> set slave maomao
OK

127.0.0.1:6380> get slave
"xiaotian"

授权访问

• master客户端发送命令设置密码

  requirepass <password>
  

• master配置文件设置密码

  config set requirepass <password>
  config get requirepass
  

• slave客户端发送命令设置密码

  auth <password>
  

• slave配置文件设置密码

  masterauth <password>
  

• slave启动服务器设置密码

  redis-server –a <password>
  

阶段二：数据同步阶段工作流程

• 在slave初次连接master后，复制master中的所有数据到slave
• 将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

部分复制就是增量复制
增量复制需要在全量复制成功之后才能执行

1. 请求同步数据
2. 创建RDB同步数据
3. 恢复RDB同步数据
4. 请求部分同步数据
5. 恢复部分同步数据
   至此，数据同步工作完成！

状态：

• slave：
  具有master端全部数据，包含RDB过程接收的数据
• master：
  保存slave当前数据同步的位置
• 总体：
  之间完成了数据克隆

数据同步阶段master说明

1. 如果master数据量巨大，数据同步阶段应避开流量高峰期，避免造成master阻塞，影响业务正常执行
2. 复制缓冲区大小设定不合理，会导致数据溢出。如进行全量复制周期太长，进行部分复制时发现数据已
   经存在丢失的情况，必须进行第二次全量复制，致使slave陷入死循环状态。

修改复制缓冲区大小
repl-backlog-size 1mb		# 默认1mb

3. master单机内存占用主机内存的比例不应过大，建议使用50%-70%的内存，留下30%-50%的内存用于执行bgsave命令和创建复制缓冲区

数据同步阶段slave说明

1. 为避免slave进行全量复制、部分复制时服务器响应阻塞或数据不同步，建议关闭此期间的对外服务

   slave-serve-stale-data yes|no
   

2. 数据同步阶段，master发送给slave信息可以理解master是slave的一个客户端，主动向slave发送命令

3. 多个slave同时对master请求数据同步，master发送的RDB文件增多，会对带宽造成巨大冲击，如果master带宽不足，因此数据同步需要根据业务需求，适量错峰

4. slave过多时，建议调整拓扑结构，由一主多从结构变为树状结构，中间的节点既是master，也是slave。注意使用树状结构时，由于层级深度，导致深度越高的slave与最顶层master间数据同步延迟较大，数据一致性变差，应谨慎选择

阶段三：命令传播阶段

• 当master数据库状态被修改后，导致主从服务器数据库状态不一致，此时需要让主从数据同步到一致的状态，同步的动作称为命令传播

• master将接收到的数据变更命令发送给slave，slave接收命令后执行命令

• 主从复制过程大体可以分为3个阶段

  • 建立连接阶段（即准备阶段）
  • 数据同步阶段
  • 命令传播阶段

命令传播阶段的部分复制

• 命令传播阶段出现了断网现象
  • 网络闪断闪连 …忽略
  • 短时间网络中断 …部分复制
  • 长时间网络中断 …全量复制
• 部分复制的三个核心要素
  • 服务器的运行 id（run id）
  • 主服务器的复制积压缓冲区
  • 主从服务器的复制偏移量

服务器的运行 id

• 概念：服务器运行ID是每一台服务器每次运行的身份识别码，一台服务器多次运行可以生成多个运行id
• 组成：运行id由40位字符组成，是一个随机的十六进制字符
  • 例如：0eab876073ab904a4b357000dc8f231f553c20a7
• 作用：运行id被用于在服务器间进行传输，识别身份
  • 如果想两次操作均对同一台服务器进行，必须每次操作携带对应的运行id，用于对方识别
• 实现方式：运行id在每台服务器启动时自动生成的，master在首次连接slave时，会将自己的运行ID发送给slave，slave保存此ID，通过info Server命令，可以查看节点的runid

复制缓冲区

• 概念：复制缓冲区，又名复制积压缓冲区，是一个==先进先出（FIFO）==的队列，用于存储服务器执行过的命令，每次传播命令，master都会将传播的命令记录下来，并存储在复制缓冲区

复制缓冲区内部工作原理

• 组成

  • 偏移量
  • 字节值

• 工作原理

  • 通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
  • master记录已发送的信息对应的offset
  • slave记录已接收的信息对应的offset

set name maomao
以这种格式
$3 \r\n
set \r\n
$4 \r\n
name \r\n
$6 \r\n
maomao \r\n

到复制缓冲区

复制缓冲区

• 概念：复制缓冲区，又名复制积压缓冲区，是一个==先进先出（FIFO）==的队列，用于存储服务器执行过的命令，每次传播命令，master都会将传播的命令记录下来，并存储在复制缓冲区
  • 复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M，由于存储空间大小是固定的，当入队元素的数量大于队列长度时，最先入队的元素会被弹出，而新元素会被放入队列
• 由来：每台服务器启动时，如果开启有AOF或被连接成为master节点，即创建复制缓冲区
• 作用：用于保存master收到的所有指令（仅影响数据变更的指令，例如set，select）
• 数据来源：当master接收到主客户端的指令时，除了将指令执行，会将该指令存储到缓冲区中

主从服务器复制偏移量（offset）

• 概念：一个数字，描述复制缓冲区中的指令字节位置
• 分类：
  • master复制偏移量：记录发送给所有slave的指令字节对应的位置（多个）
  • slave复制偏移量：记录slave接收master发送过来的指令字节对应的位置（一个）
• 数据来源：
  • master端：发送一次记录一次
    slave端：接收一次记录一次
• 作用：同步信息，比对master与slave的差异，当slave断线后，恢复数据使用

数据同步+命令传播阶段工作流程

主从连接之后

1. master生成复制缓冲区
2. slave发送指令：psync2 ? -1 (意思需要全部信息)
3. master接收到指令，执行bgsave生成RDB文件，记录当前的复制偏移量offset 但是因为第一次slave发送的是空白。
4. 于是master将runid 和offset发给slave。发送 +FULLRESYNC runid offset，(全量复制)，通过socket发送RDB文件给slave
5. slave收到 +FULLRESYNC(全量复制)，保存master的runid和offset，清空当前全部数据，通过socket接收RDB文件，恢复RDB数据
6. 在整个过程中有一些指令要进入复制缓冲区，master接收这些客户端指令，offset发生了变化
7. slave 发送命令：psync2 runid offset
8. master 接收命令，判断runid是否匹配，判定offset是否在复制缓冲区中
9. 如果runid或offset有一个不满足，执行全量复制（循环之前的全量复制）
10. 如果runid或offset校验通过，offset与offset相同，则忽略
11. 如果如果runid或offset校验通过，offset与offset不相同。
    就发送 +CONTINUE offset。
    通过socket发送复制缓冲区中offset到offset的数据
12. slave 收到 +CONTINE
    保存master的offset
    接收到信息后，执行bgrewriteaof，恢复数据
    

心跳机制

• 进入命令传播阶段候，master与slave间需要进行信息交换，使用心跳机制进行维护，实现双方连接保持在线

• master心跳：

  • 指令：PING
  • 周期：由repl-ping-slave-period决定，默认10秒
  • 作用：判断slave是否在线
  • 查询：INFO replication 获取slave最后一次连接时间间隔，lag项维持在0或1视为正常

• slave心跳任务

  • 指令：REPLCONF ACK {offset}
  • 周期：1秒
  • 作用1：汇报slave自己的复制偏移量，获取最新的数据变更指令
  • 作用2：判断master是否在线

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=927,lag=1

心跳阶段注意事项

• 当slave多数掉线，或延迟过高时，master为保障数据稳定性，将拒绝所有信息同步操作

  min-slaves-to-write 2
  min-slaves-max-lag 8
  

  • slave数量少于2个，或者所有slave的延迟都大于等于10秒时，强制关闭master写功能，停止数据同步

• slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

• slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

主从复制常见问题

引发频繁的全量复制1

伴随着系统的运行，master的数据量会越来越大，一旦master重启，runid将发生变化，会导致全部slave的全量复制操作

• 内部优化调整方案：
  1. master内部创建master_replid变量，使用runid相同的策略生成，长度41位，并发送给所有slave
  2. 在master关闭时执行命令 shutdown save，进行RDB持久化,将runid与offset保存到RDB文件中
     • repl-id repl-offset
     • 通过redis-check-rdb命令可以查看该信息
  3. master重启后加载RDB文件，恢复数据
     重启后，将RDB文件中保存的repl-id与repl-offset加载到内存中
     • master_repl_id = repl master_repl_offset = repl-offset
     • 通过info命令可以查看该信息
• 作用：
  本机保存上次runid，重启后恢复该值，使所有slave认为还是之前的master

[root@maomao redis_config]# cd /usr/local/redis/data/
[root@maomao data]# ls
6379.log  6380.log  appendonly-6379.aof  dump-6379.rdb  dump.rdb
[root@maomao data]# redis-check-rdb dump-6379.rdb 
[offset 0] Checking RDB file dump-6379.rdb
[offset 26] AUX FIELD redis-ver = '6.2.1'
[offset 40] AUX FIELD redis-bits = '64'
[offset 52] AUX FIELD ctime = '1618763025'
[offset 67] AUX FIELD used-mem = '1942304'
[offset 85] AUX FIELD repl-stream-db = '0'
[offset 135] AUX FIELD repl-id = '2d82ff022e405afb883753f4d0c52f8ceb36d740'		# runid
[offset 151] AUX FIELD repl-offset = '885'	#offset
[offset 167] AUX FIELD aof-preamble = '0'
[offset 169] Selecting DB ID 0
[offset 391] Checksum OK
[offset 391] \o/ RDB looks OK! \o/
[info] 5 keys read
[info] 0 expires
[info] 0 already expired

引发频繁的全量复制2

• 问题现象

  • 网络环境不佳，出现网络中断，slave不提供服务

• 问题原因

  • 复制缓冲区过小，断网后slave的offset越界，触发全量复制

• 最终结果

  • slave反复进行全量复制

• 解决方案

  • 修改复制缓冲区大小

    repl-backlog-size

• 建议设置如下：

  1. 测算从master到slave的重连平均时长second
  2. 获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
  3. 最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

频繁的网络中断1

• 问题现象
  • master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接
• 问题原因
  • slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
  • 当slave接到了慢查询时（keys * ，hgetall等），会大量占用CPU性能
  • master每1秒调用复制定时函数replicationCron()，比对slave发现长时间没有进行响应
• 最终结果
  • master各种资源（输出缓冲区、带宽、连接等）被严重占用
• 解决方案
  • 通过设置合理的超时时间，确认是否释放slave

    repl-timeout
    该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave

频繁的网络中断2

• 问题现象
  • slave与master连接断开
• 问题原因
  • master发送ping指令频度较低
  • master设定超时时间较短
  • ping指令在网络中存在丢包
• 解决方案
  • 提高ping指令发送的频度

    repl-ping-slave-period
    超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5到10倍，否则slave很容易判定超时

数据不一致

• 问题现象
  • 多个slave获取相同数据不同步
• 问题原因
  • 网络信息不同步，数据发送有延迟
• 解决方案
  • 优化主从间的网络环境，通常放置在同一个机房部署，如使用阿里云等云服务器时要注意此现象
  • 监控主从节点延迟（通过offset）判断，如果slave延迟过大，暂时屏蔽程序对该slave的数据访问

  slave-serve-stale-data yes|no
  开启后仅响应info、slaveof等少数命令（慎用，除非对数据一致性要求很高）