复制原理及实现

1、复制功能实现

PSYNC命令具有完整重同步和部分重同步两种模式

• 完整重同步用于处理初次复制情况，通过让主服务器创建并发送rdb文件，以及向从服务器发送保存在缓冲区里面的写命令来进行同步 
• 部分重同步则用于处理断线后重复制情况，当从服务器在断线后重新连接主服务器时，如果条件允许，主服务器可以将主从服务器连接断开期间执行的写命令发送给从服务器，从服务器只要接收并执行这些写命令，就可以将数据更新至主服务器当前所处的状态。

部分重同步功能由以下三个部分构成

• 主服务器的复制偏移量(replication offset)和从服务器的复制偏移量
• 主服务器的复制积压缓冲区(replication backlog)
• 服务器的运行id(run id)

1.1 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上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，可以很容易地知道主从服务器是否处于一致状态

• 如果主从服务器处理一致状态，那么主从服务器两者的偏移量总是相同的
• 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

1.2 复制积压缓冲区

复制积压缓冲区是由主服务器维护的一个环形队列，默认大小为1M

当主服务器进行命令传播时，它不仅会将写命令发送给所有从服务器，还会将写命令入队到复制积压缓冲区里面。因此主服务器的复制积压缓冲区里面会保存着一部分最近传播的写命令，并且复制积压缓冲区会为队列中的每个字节记录相应的复制偏移量。

当从服务器重新连接上主服务器时，从服务器会通过psync命令将自己的复制偏移量offset发送给主服务器，主服务器会根据这个复制偏移量来决定对从服务器执行何种同步操作

• 如果offset偏移量之后的数据(也即是偏移量offset+1开始的数据）仍然存在复制积压缓冲区里面，那么主服务器将对从服务器执行部分重同步操作
• 相反，如果offset偏移量之后的数据已经不存在于复制积压缓冲区，那么主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

1.3 服务器运行id

除了复制偏移量和复制积压缓冲区之外，实现部分重同步还需要用到服务器运行id(run id)

• 每个redis服务器，不论主服务器还是从服务器，都 会有自己的运行id
• 运行id在服务器启动时自动生成，由40个随机的十六进制字符组成。

当从服务器对主服务器进行初次复制时，主服务器将自己的运行id传送给从服务器，而从服务器则会将这个运行id保存起来

当从服务器断线并重新连上一个主服务器时，从服务器将向当前连接的主服务器发送之前保存的运行id

• 如果从服务器保存的运行id和当前连接的主服务器的运行id相同，那么说明从服务器断线之前复制的就是当前连接的这个主服务器，主服务器可以继续执行部分重同步操作
• 如果从服务器保存的运行id和当前连接的主服务器的运行id不相同，那么 说明 从服务器断线之前复制的主服务器并不是当前连接的这个主服务器，主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

2、PSYNC命令的实现

调用方式有两种

• 如果从服务器以前没有复制过任何主服务器，或者之前执行过slaveof no one命令，那么从服务器在开始一次新的复制时将向主服务器发送PSYNC ? -1命令，主动请求主服务器进行完整重同步
• 相反地，如果从服务器已经复制过某个主服务器，那么从服务器在开始一次新的复制时将向主服务器发送PSYNC 命令，其中runid是上一次复制的主服务器的运行id，而offset是从服务器当前的复制偏移量，接收到这个命令的主服务器会通过这两个参数来判断应该从对从服务器执行哪种同步操作

接收到PSYNC命令的主服务器会向从服务器返回以下三种回复的其中一种

• 如果主服务器返回+FULLRESYNC 回复，那么表示主服务器将与从服务器执行完整重同步操作，其中runid是这个主服务器的运行id，从服务器会将这个id保存起来，在下一次发送PSYNC命令时使用，而offset是主服务器当前的复制偏移量，从服务器会将这个值作为自己的初始化偏移量。
• 如果主服务器返回+CONTINUE回复，那么表示主服务器将与从服务器执行部分重同步操作，从服务器只要等着主服务器将自己缺少的那部分数据发送过来即可
• 如果主服务器返回-ERR回复，那么表示主服务器的版本低于Redis2.8 ，它识别不了PSYNC命令，从服务器将向主服务器发送SYNC命令，并与主服务器执行完整同步操作。

3、复制实现

其时序图为

通过向从服务器发送slaveof命令，让一个从服务器去复制一个主服务器

slaveof

3.1 设置主服务器的地址和端口

当客户端向从服务器发送slaveof master_ip master_port时

从服务器首先要做的就是将客户端给定的主服务器ip地址和端口号保存到从服务器状态的masterhost属性和masterport属性里面

slaveof命令是一个异步命令，在完成masterhost属性和masterport属性的设置工作之后，从服务器将向发送slaveof命令的客户端返回ok，表示复制指令已经被接收，实现的复制工作将在ok返回之后才真正开始执行。

3.2 建立套接字连接

在slaveof命令执行之后，从服务器将要根据命令所设置的ip地址和端口，创建连向主服务器的套接字连接。如果从服务器创建的套接字能成功连接到主服务器，那么从服务器将为这个套接字关联一个专门用于处理复制工作的文件事件处理器syncWithMaster，这个处理器将负责执行后续的复制工作，比如接收rdb文件，以及接收服务器传播来的写命令。

而主服务器在接受从服务器的套接字连接后，将为该套接字创建相应的客户端状态，并将从服务器看作是一个连接到主服务器的客户端来对待，这时从服务器将同时具有服务器和客户端两个身份：从服务器可以向主服务器发送命令请求，而主服务器则会向从服务器返回命令回复 

3.3 发送ping命令

从服务器成为主服务器的客户端之后，做的第一件事就是向主服务器发送一个ping命令

有两个作用

• 通过发送PING命令可以检查套接字的读写状态是否正常
• 检查主服务器能否正常处理命令请求

从服务器在发送PING命令之后将遇到以下三种情况中的一种

• 如果主服务器向从服务器返回一个命令回复，但从服务器去不能在规定的时限内读取出命令回复的内容，那么表示主从服务器之间的网络连接状态不佳，不能继续执行复制工作的后续步骤。当出现这种情况时，从服务器断开并重新创建连向主服务器的套接字
• 如果主服务器向从服务器返回一个错误，那么表示主服务器暂时没办法处理从服务器的命令请求，不能继续执行复制工作的后续步聚。当出现这种情况时，从服务器断开并重新创建连向主服务器的套接字
• 如果从服务器读取到PONG回复，那么表示主从服务器之间的网络连接状态正常，并且主服务器可以正常处理从服务器发送的命令请求。

3.4 身份验证

决定是否进行身份验证

• 从服务器设置了masterauth选项或者masteruser选项，那么进行身份验证
• 否则不进行身份验证

3.5 发送端口信息

从服务器执行命令replconf listening-port 向主服务器发送从服务器的监听端口号。

主服务器在接收到这个命令之后， 会将端口号记录在从服务器所对应的客户端状态的slave_listening_port属性中

3.6 发送ip信息

当slave_announce_ip有设置时，从服务器向主服务器发送命令replconf ip-address

主服务器在接收到这个命令之后， 会将ip记录在从服务器所对应的客户端状态的slave_ip属性中

3.7 发送capa信息

从服务器执行命令replconf capa eof capa psync2 向主服务器发送从服务器所支持的能力

主服务器在接收到这个命令之后， 会记录在从服务器所对应的客户端状态的slave_capa属性中

3.8 同步

从服务器向主服务器发送PSYNC命令，执行同步操作，将自己的数据库更新至主服务器数据库当前所处的状态。

在同步操作执行之前，只有从服务器是主服务器的客户端，但是在执行同步操作之后，主服务器也会成为从服务器的客户端

• 如果PSYNC命令执行的是完整重同步操作，主服务器需要成从服务器的客户端，才能将保存在缓冲区里面的写命令发送给从服务器执行
• 如果PSYNC命令执行的是部分重同步 操作，主服务器需要 成为从服务器的客户端，才能向从服务器发送保存在复制积压缓冲区里面的写命令。

3.9 命令传播

当完成了同步之后，主从服务器就会进入命令传播阶段，主服务器只要一直将自己执行的写命令发送给从服务器，从服务器只要一直接收并执行主服务器发来的写命令，就可以保证主从服务器一直保持一致了

3.10 复制状态机转换

 

4、心跳检测

在命令传播阶段，从服务器默认会以每秒一次的频率，向主服务器发送命令replconf ack 。replication_offset是从服务器当前的复制偏移量。

有三个作用

• 检测主从服务器的网络连接状
• 辅助实现min-slaves选项
• 检测命令丢失

4.1 检测主从服务器的网络连接状态

主从服务器可能通过发送和接收replconf ack命令来检查两者之间的网络连接是否正常，如果主服务器超过1秒钟没有收到从服务器发来的replconf ack命令，主服务器就知道从服务器之间的连接出现问题。使用info replication来查看lag

一般情况下，lag的值应该在0秒或者1秒之间跳动。如果超过1秒的话，说明主从服务器之间的连接出现了故障。

4.2 辅助实现min-slaves配置选项

min-slaves-to-write和min-slaves-max-log两个选项可以防止主服务器在不安全的情况下执行写命令。

如果主服务器提供以下配置

min-slaves-to-write 3

min-slaves-max-lag 10

在从服务器的数量少于3个，或者三个从服务器的延迟(lag)的值大于或等于10秒时，主服务器将拒绝执行写命令

4.3 检测命令丢失

如果因为网络故障，主服务器传播给从服务器的写命令在半路丢失，那么当从服务器向主服务器发送replconf ack命令时，主服务器将发觉从服务器当前的复制偏移量少于自己的复制偏移量，然后主服务器会根据从服务器提交的复制偏移量，在复制积压缓冲区里面找到从服务器缺少的数据，并将这些数据重新发送给从服务器

5、主服务器向从服务器周期发送ping

在命令传播阶段，主服务器默认会以每秒一次的频率，向从服务器发送命令ping