Redis的主从复制

前言

本来以前在csdn写文章，只是无意间注册了sf账号，每天逛一下这些网站，发现sf质量确实很高，而且，也没有那么多让人糟心的广告，每次在csdn看到想读的文章都第一件事拉到最下面看是不是广告，如果不是才耐心的从头开始读，这种体验很糟心，就来到sf，而且发现sf就在杭州本地，不错不错，果断支持一下。

主从复制是哨兵sentinel和cluster的基础，知其然知其所以然，所以，了解了其中的细节原理和每一步都执行了什么操作，对以后的调试也是很有帮助的。

为什么要使用主从

在实际的场景当中单一节点的redis容易面临风险，比如只有一台redis，然后挂了，本来要经过缓存层的东西直接把压力转到数据库上了，即使数据库扛得住，响应速度可能也不是很快，这样业务受影响了，如果有主从复制，一台从机挂了还可以在其他从机获取数据，所以，主从复制可以很好的解决单机器故障的问题，也就是高可用问题，但是其实还存在故障转移问题，后面我会写文章解决这个。

主从复制的简单流程

1.这里我把一系列操作举例放到实际业务流程中，比如有N多用户在频繁的读取数据。
2.如果用户1先去redis-slave缓存里取数据。
3.缓存中没有数据，去数据库里取。
4.database proxy分发读取数据操作，请求落在mysql从节点上。
5.database proxy将获取到的数据（这里假如获取到了，没有获取到直接返回给app）写入redis-master 主节点。
6.同时把获取到的数据返回给用户。
7.后面的N个用户获取相同的数据，压力被分散在不同的redis-slave上面，即使，某一个redis-slave宕机了，其他redis-slave还可以继续提供服务。
注：
主从复制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，也就是主节点挂了其他从节点可以变成主节点（这个切换过程我附在下面）；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。

主从复制搭建

从节点开启主从复制，有3种方式：

1、配置文件启用

在从服务器的配置文件中加入：slaveof masterip masterport

2、启动命令启用

redis-server启动命令后加入 --slaveof masterip masterport

3、客户端命令启用

redis服务器启动后，直接通过客户端执行命令：slaveof masterip masterport，则该redis实例成为从节点。
通过 info replication 命令可以看到复制的一些信息
注 ： Log 文件位置 vi /var/log/redis/redis.log

主从复制原理

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。
在从节点执行 slaveof 命令后，复制过程便开始运作，复制过程大致分为6个过程。

对照日志看一下日志如下

1保存主节点（master）信息。
2从节点（slave）内部通过每秒运行的定时任务维护复制相关逻辑，当定时任务发现存在新的主节点后，会尝试与该节点建立网络连接从节点会建立一个 socket 套接字，从节点建立了一个端口为xxxxx的套接字，专门用于接受主节点发送的复制命令。从节点连接成功后打印如下日志：

如果从节点无法建立连接，定时任务会无限重试直到连接成功或者执行 slaveof no one 取消复制
关于连接失败，可以在从节点执行 info replication 查看 master_link_down_since_seconds 指标，它会记录与主节点连接失败的系统时间。从节点连接主节点失败时也会每秒打印如下日志，方便发现问题：

 Error condition on socket for SYNC: {socket_error_reason}

3发送 ping 命令
连接建立成功后从节点发送 ping 请求进行首次通信，ping 请求主要目的如下：
检测主从之间网络套接字是否可用。
检测主节点当前是否可接受处理命令。
如果发送 ping 命令后，从节点没有收到主节点的 pong 回复或者超时，比如网络超时或者主节点正在阻塞无法响应命令，从节点会断开复制连接，下次定时任务会发起重连。
我估计好多人的学软件的第一课 都ping pong过把，这里就不解释了。。

4权限验证。如果主节点设置了 requirepass 参数，则需要密码验证，从节点必须配置 masterauth 参数保证与主节点相同的密码才能通过验证；如果验证失败复制将终止，从节点重新发起复制流程。
先ping服务器和端口，通了肯定校验一下密码

5同步数据集。主从复制连接正常通信后，对于首次建立复制的场景，主节点会把持有的数据全部发送给从节点，这部分操作也是耗时最长的步骤。
6命令持续复制。当主节点把当前的数据同步给从节点后，便完成了复制的建立流程。接下来主节点会持续地把写命令发送给从节点，保证主从数据一致性。

全量复制和部分复制和复制偏移量

全量复制

用于初次复制或其它无法进行部分复制的情况，将主节点中的所有数据都发送给从节点，是一个非常重型的操作，当数据量较大时，会对主从节点和网络造成很大的开销

1.Redis 内部会发出一个同步命令，刚开始是 Psync 命令，Psync ? -1表示要求 master 主机同步数据
2.主机会向从机发送 runid 和 offset，因为 slave 并没有对应的 offset，所以是全量复制
3.从机 slave 会保存 主机master 的基本信息 save masterInfo
4.主节点收到全量复制的命令后，执行bgsave（异步执行），在后台生成RDB文件（快照），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
5.主机send RDB 发送 RDB 文件给从机
6.发送缓冲区数据
7.刷新旧的数据，从节点在载入主节点的数据之前要先将老数据清除
8.加载 RDB 文件将数据库状态更新至主节点执行bgsave时的数据库状态和缓冲区数据的加载

全量复制的开销主要如下

1.bgsave 时间
2.RDB 文件网络传输时间
3.从节点清空数据的时间
4.从节点加载 RDB 的时间

部分复制

用于处理在主从复制中因网络闪断等原因造成的数据丢失场景，当从节点再次连上主节点后，如果条件允许，主节点会补发丢失数据给从节点。因为补发的数据远远小于全量数据，可以有效避免全量复制的过高开销，需要注意的是，如果网络中断时间过长，造成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
部分复制是 redis 2.8 以后出现的，之所以要加入部分复制，是因为全量复制会产生很多问题，比如像上面的时间开销大、无法隔离等问题， redis 希望能够在 master 出现抖动（相当于断开连接）的时候，可以有一些机制将复制的损失降低到最低。

1.如果网络抖动（连接断开 connection lost）
2.主机master 还是会写 replbackbuffer（复制缓冲区）
3.从机slave 会继续尝试连接主机
4.从机slave 会把自己当前 runid 和偏移量传输给主机 master，并且执行 pysnc 命令同步
5.如果 master 发现你的偏移量是在缓冲区的范围内，就会返回 continue 命令
6.同步了 offset 的部分数据，所以部分复制的基础就是偏移量 offset。

复制偏移量

参与复制的主从节点都会维护自身复制偏移量。主节点（master）在处理完写入命令后，会把命令的字节长度做累加记录，统计信息在 info relication 中的 master_repl_offset 指标中：

从节点（slave）每秒钟上报自身的复制偏移量给主节点，因此主节点也会保存从节点的复制偏移量，统计指标如下：

从节点在接收到主节点发送的命令后，也会累加记录自身的偏移量。统计信息在 info relication 中的 slave_repl_offset 中

复制积压缓冲区

复制积压缓冲区是保存在主节点上的一个固定长度的队列，默认大小为1MB，当主节点有连接的从节点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写入复制积压缓冲区。

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。可以对照全量复制redis-master的图理解 复制挤压缓冲区。

正常情况下redis是如何决定是全量复制还是部分复制

1.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：
2.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；
3.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。

1、缓冲区大小调节：

由于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)来设置；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。

2、服务器运行ID(runid)

每个redis节点(无论主从)，在启动时都会自动生成一个随机ID(每次启动都不一样)，由40个随机的十六进制字符组成；runid用来唯一识别一个redis节点。 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。

主从复制进阶常见问题解决

1、读写分离

读流量分摊到从节点。这是个非常好的特性，如果一个业务只需要读数据，那么我们只需要连一台 slave 从机读数据。

虽然读写有优势，能够让读这部分分配给各个 slave 从机，如果不够，直接加 slave 机器就好了。但是也会出现以下问题。
1.复制数据延迟。
可能会出现 slave 延迟导致读写不一致等问题，当然你也可以使用监控偏移量 offset，如果 offset 超出范围就切换到 master 上,逻辑切换，而具体延迟多少，可以通过 info replication 的 offset 指标进行排查。
对于无法容忍大量延迟场景，可以编写外部监控程序监听主从节点的复制偏移量，当延迟较大时触发报警或者通知客户端避免读取延迟过高的从节点
同时从节点的slave-serve-stale-data参数也与此有关，它控制这种情况下从节点的表现：如果为yes（默认值），则从节点仍能够响应客户端的命令；如果为no，则从节点只能响应info、slaveof等少数命令。该参数的设置与应用对数据一致性的要求有关；如果对数据一致性要求很高，则应设置为no。
2.从节点故障问题
对于从节点的故障问题，需要在客户端维护一个可用从节点可用列表，当从节点故障时，立刻切换到其他从节点或主节点。

2、主从配置不一致

主机和从机不同，经常导致主机和从机的配置不同，并带来问题。
数据丢失：主机和从机有时候会发生配置不一致的情况，例如 maxmemory 不一致，如果主机配置 maxmemory 为8G，从机 slave 设置为4G，这个时候是可以用的，而且还不会报错。但是如果要做高可用，让从节点变成主节点的时候，就会发现数据已经丢失了，而且无法挽回。虽然错误很低级，但是有人会犯。。。

3、规避全量复制

全量复制指的是当 slave 从机断掉并重启后，runid 产生变化而导致需要在 master 主机里拷贝全部数据。这种拷贝全部数据的过程非常耗资源。全量复制是不可避免的，例如第一次的全量复制是不可避免的，这时我们需要选择小主节点，且maxmemory 值不要过大，这样就会比较快。同时选择在低峰值的时候做全量复制。

1.造成全量复制的原因

1、是主从机的运行 runid 不匹配。

解释一下，主节点如果重启，runid 将会发生变化。如果从节点监控到 runid 不是同一个，它就会认为你的节点不安全。当发生故障转移的时候，如果主节点发生故障，那么从机就会变成主节点。我们会在后面讲解哨兵和集群。

2、复制缓冲区空间不足

比如默认值1M，可以部分复制。但如果缓存区不够大的话，首先需要网络中断，部分复制就无法满足。其次需要增大复制缓冲区配置（relbacklogsize），对网络的缓冲增强。参考之前的说明。
解决办法：
在一些场景下，可能希望对主节点进行重启，例如主节点内存碎片率过高，或者希望调整一些只能在启动时调整的参数。如果使用普通的手段重启主节点，会使得runid发生变化，可能导致不必要的全量复制。
为了解决这个问题，rdis提供了debug reload的重启方式：重启后，主节点的runid和offset都不受影响，避免了全量复制。

3、master 主机挂了重启

当一个主机下面挂了很多个 slave 从机的时候，主机 master 挂了，这时 master 主机重启后，因为 runid 发生了变化，所有的 slave 从机都要做一次全量复制。这将引起单节点和单机器的复制风暴，开销会非常大。
解决办法：
可以采用树状结构降低多个从节点对主节点的消耗
从节点采用树状树非常有用，网络开销交给位于中间层的从节点，而不必消耗顶层的主节点。但是这种树状结构也带来了运维的复杂性，增加了手动和自动处理故障转移的难度

4、单机器的复制风暴

由于 redis的单线程架构，通常单台机器会部署多个 redis 实例。当一台机器（machine）上同时部署多个主节点（master）时，如果每个 master 主机只有一台 slave 从机，那么当机器宕机以后，会产生大量全量复制。这种情况是非常危险的情况，带宽马上会被占用，会导致不可用。
解决办法：
应该把主节点尽量分散在多台机器上，避免在单台机器上部署过多的主节点。
当主节点所在机器故障后提供故障转移机制，避免机器恢复后进行密集的全量复制。