【Redis】如何保证主从库的数据一致?

虽然说,已经有了AOF和RDB两种机制保证数据尽量少丢失数据,提高了数据库的可靠性。

但是Redis具有高可靠性,其实是有两层含义的:一是数据尽量少丢失,二是服务尽量少中断

AOF 和 RDB 保证了前者,而对于后者,Redis 的做法就是增加副本冗余量,将一份数据同时保存在多个实例上。即使有一个实例出现了故障,需要过一段时间才能恢复,其他实例也可以对外提供服务,不会影响业务使用。

这也就产生了如何保证主从数据一致的问题。

实际上,Redis 提供了主从库模式,以保证数据副本的一致,主从库之间采用的是读写分离的方式。

  • 读操作:主库、从库都可以接收;
  • 写操作:首先到主库执行,然后,主库将写操作同步给从库。

【Redis】如何保证主从库的数据一致?_第1张图片

那么,为什么要采用读写分离的方式呢?

我们可以假设所有实例都能够接收写操作,每个实例都执行了一次写操作,这时候实例上的副本就不一致了,导致客户端可能读到旧值。当然,也可以通过一系列的加锁、实例间协商是否完成修改等一系列操作来保证数据一致,但这也带来了巨额的开销,是无法接受的。

而主从库模式一旦采用了读写分离,所有数据的修改只会在主库上进行,不用协调多个实例。主库有了最新的数据后,会同步给从库,这样,主从库的数据就是一致的。

那么,主从库同步是如何完成的呢?主库数据是一次性传给从库,还是分批同步?要是主从库间的网络断连了,数据还能保持一致吗?

下面就来研究一下主从库同步的原理,以及网络断连风险的方案。首先先来看看主从库间的第一次同步是如何进行的,这也是 Redis 实例建立主从库模式后的规定动作。

主从库间的第一次同步

当我们启动多个 Redis 实例的时候,它们相互之间就可以通过 replicaof(Redis 5.0 之前使用 slaveof)命令形成主库和从库的关系,之后会按照三个阶段完成数据的第一次同步。

例如,现在有实例 1(ip:172.16.19.3)和实例 2(ip:172.16.19.5),我们在实例 2 上执行以下这个命令后,实例 2 就变成了实例 1 的从库,并从实例 1 上复制数据:

replicaof  172.16.19.3  6379

接下来,我们就要学习主从库间数据第一次同步的三个阶段了。先看一下下面这张图,有个整体感知,后面再具体介绍。

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  • 第一阶段是主从库间建立连接、协商同步的过程,主要是为全量复制做准备。

在这一步,从库和主库建立起连接,并告诉主库即将进行同步,主库确认回复后,主从库间就可以开始同步了。

具体来说,从库给主库发送 psync 命令,表示要进行数据同步,主库根据这个命令的参数来启动复制。psync 命令包含了主库的 runID 和复制进度 offset 两个参数。

  • runID,是每个 Redis 实例启动时都会自动生成的一个随机 ID,用来唯一标记这个实例。当从库和主库第一次复制时,因为不知道主库的 runID,所以将 runID 设为“?”。
  • offset,此时设为 -1,表示第一次复制。

主库收到 psync 命令后,会用 FULLRESYNC 响应命令带上两个参数:主库 runID 和主库目前的复制进度 offset,返回给从库。从库收到响应后,会记录下这两个参数。

这里有个地方需要注意,FULLRESYNC 响应表示第一次复制采用的全量复制,也就是说,主库会把当前所有的数据都复制给从库。

  • 在第二阶段,主库将所有数据同步给从库。从库收到数据后,在本地完成数据加载

这个过程依赖于内存快照生成的 RDB 文件具体来说,主库执行 bgsave 命令,生成 RDB 文件,接着将文件发给从库。从库接收到 RDB 文件后,会先清空当前数据库,然后加载 RDB 文件。这是因为从库在通过 replicaof 命令开始和主库同步前,可能保存了其他数据。为了避免之前数据的影响,从库需要先把当前数据库清空。

在主库将数据同步给从库的过程中,主库不会被阻塞,仍然可以正常接收请求。否则,Redis 的服务就被中断了。

但是,这些请求中的写操作并没有记录到刚刚生成的 RDB 文件中。为了保证主从库的数据一致性,主库会在内存中用专门的 replication buffer,记录 RDB 文件生成后收到的所有写操作。

  • 最后,也就是第三个阶段,主库会把第二阶段执行过程中新收到的写命令,再发送给从库。

具体的操作是,当主库完成 RDB 文件发送后,就会把此时 replication buffer 中的修改操作发给从库,从库再重新执行这些操作。这样一来,主从库就实现同步了。

值得注意的是:第三阶段命令传播,主库如何知道发送的命令被从库成功接收?如果不知道,是否会存在数据丢失的风险?

  • 主和从都维护了offset ,从把自己的offset告诉主,主会把这个offset和replica buffer中查看,是否有这个offset的数据,有就发送给从,从执行命令后会增加自己offset

使用主从级联模式分散压力

在主从库第一次数据同步中,会进行全量复制,需要完成两个耗时的操作:生成 RDB 文件和传输 RDB 文件。在从库数量多时,显然会导致主库就会导致主库忙于 fork 子进程生成 RDB 文件,进行数据全量同步。

fork 这个操作会阻塞主线程处理正常请求,从而导致主库响应应用程序的请求速度变慢。此外,传输 RDB 文件也会占用主库的网络带宽,同样会给主库的资源使用带来压力。那么,有没有好的解决方法可以分担主库压力呢?

解决方法就是“主-从-从”模式。该模式以级联的方式将主库生成RDB和传输RDB的压力分散到了从库上。

简单来说,我们在部署主从集群的时候,可以手动选择一个从库(比如选择内存资源配置较高的从库),用于级联其他的从库。然后,我们可以再选择一些从库(例如三分之一的从库),在这些从库上执行如下命令,让它们和刚才所选的从库,建立起主从关系。

replicaof  所选从库的IP 6379

这样一来,这些从库就会知道,在进行同步时,不用再和主库进行交互了,只要和级联的从库进行写操作同步就行了,这就可以减轻主库上的压力,如下图所示:

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到这里,主从库间通过全量复制实现数据同步的过程就算是完成了,之后它们之间就会一直维护一个网络连接,主库会通过这个连接将后续陆续收到的命令操作再同步给从库,这个过程也称为基于长连接的命令传播,可以避免频繁建立连接的开销。

虽说很简单,可还是存在风险,最常见的就是网络断连或阻塞。如果网络断连,主从库之间就无法进行命令传播了,从库的数据自然也就没办法和主库保持一致了,客户端就可能从从库读到旧数据。

下面就来研究一下网络断连后的解决办法。

主从库间网络断连后的解决办法

在 Redis 2.8 之前,如果主从库在命令传播时出现了网络闪断,那么,从库就会和主库重新进行一次全量复制,开销非常大。

从 Redis 2.8 开始,网络断了之后,主从库会采用增量复制的方式继续同步。听名字大概就可以猜到它和全量复制的不同:

全量复制是同步所有数据,而增量复制只会把主从库网络断连期间主库收到的命令,同步给从库。

那么,增量复制时,主从库之间具体是怎么保持同步的呢?

奥妙在于 repl_backlog_buffer 环形缓冲区,主库会记录自己写到的位置,从库则会记录自己已经读到的位置。

当主从库断连后,主库会把断连期间收到的写操作命令写入 repl_backlog_buffer 这个缓冲区,需要注意断连后没有replication buffer

刚开始的时候,主库和从库的写读位置在一起,这算是它们的起始位置。随着主库不断接收新的写操作,它在缓冲区中的写位置会逐步偏离起始位置,我们通常用偏移量来衡量这个偏移距离的大小,对主库来说,对应的偏移量就是 master_repl_offset。主库接收的新写操作越多,这个值就会越大。

同样,从库在复制完写操作命令后,它在缓冲区中的读位置也开始逐步偏移刚才的起始位置,此时,从库已复制的偏移量 slave_repl_offset 也在不断增加。正常情况下,这两个偏移量基本相等。

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  • 在从库重连之后,从库首先会给主库发送 psync 命令,并把自己当前的 slave_repl_offset 发给主库,主库会判断自己的 master_repl_offsetslave_repl_offset 之间的差距。

  • 在网络断连阶段,主库可能会收到新的写操作命令,所以,一般来说,master_repl_offset 会大于 slave_repl_offset。此时,主库只用把 master_repl_offsetslave_repl_offset 之间的命令操作同步给从库就行。

就像刚刚示意图的中间部分,主库和从库之间相差了 put d eput d f 两个操作,在增量复制时,主库只需要把它们同步给从库,就行了。

这里借助一张图,来回顾下增量复制的流程。

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值得注意的是,因为 repl_backlog_buffer 是一个环形缓冲区,所以在缓冲区写满后,主库会继续写入,此时,就会覆盖掉之前写入的操作。如果从库的读取速度比较慢,就有可能导致从库还未读取的操作被主库新写的操作覆盖了,这会导致主从库间的数据不一致。

细节:既然有些未读取的操作被覆盖了,那这时候从库该怎么办?这时候主从库之间将进行全量复制。

因此,我们要想办法避免这一情况,一般而言,我们可以调整 repl_backlog_size 这个参数。这个参数和所需的缓冲空间大小有关。缓冲空间的计算公式是:

缓冲空间大小 = 主库写入命令速度 * 操作大小 - 主从库间网络传输命令速度 * 操作大小

在实际应用中,考虑到可能存在一些突发的请求压力,我们通常需要把这个缓冲空间扩大一倍,即 repl_backlog_size = 缓冲空间大小 * 2,这也就是 repl_backlog_size 的最终值。

举个例子,如果主库每秒写入 2000 个操作,每个操作的大小为 2KB,网络每秒能传输 1000 个操作,那么,有 1000 个操作需要缓冲起来,这就至少需要 2MB 的缓冲空间。否则,新写的命令就会覆盖掉旧操作了。为了应对可能的突发压力,我们最终把 repl_backlog_size 设为 4MB。

这样增量复制时主从库的数据不一致风险就降低了。但在并发请求量非常大的情况下,仍有缓冲空间不够的情况,主从库数据还是可能不一致。

对于这种情况,一方面可以根据Redis 所在服务器的内存资源再适当增加 repl_backlog_size 值;另一方面,可以通过切片集群的方法来分担单个主库的请求压力。

总结

本文主要是研究了Redis 的主从库同步的基本原理,关于全量复制、基于长连接的命令传播,以及增量复制

  • 全量复制虽然耗时,但是对于从库来说,如果是第一次同步,全量复制是无法避免的

    小建议:一个 Redis 实例的数据库不要太大,一个实例大小在几 GB 级别比较合适,这样可以减少 RDB 文件生成、传输和重新加载的开销。另外,为了避免多个从库同时和主库进行全量复制,给主库过大的同步压力,我们也可以采用“主 - 从 - 从”这一级联模式,来缓解主库的压力。

  • 长连接复制是主从库正常运行后的常规同步阶段。在这个阶段中,主从库之间通过命令传播实现同步

  • 增量复制在主从库断连的情况比较有效

    这里建议留意一下 repl_backlog_size 这个配置参数。如果它配置得过小,在增量复制阶段,可能会导致从库的复制进度赶不上主库,进而导致从库重新进行全量复制。所以,通过调大这个参数,可以减少从库在网络断连时全量复制的风险。

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