Redis 主从复制的机制浅析

前言

今天继续来看看有关 Redis 的一个问题，主从复制。通常，对于大多数的场景来说，读比写更多，于是对于缓存的水平扩展，其中的一个方式 “主从复制” 就是一个常见的思路。有了主从复制，那么可以扩展出很多从节点来应对大量的读请求。那么问题来了 Redis 的主从复制是如何实现的呢？

PS：本文仅关心复制的机制，不关心主节点下线重新选等等异常情况

前置知识

• 你需要知道 Redis 的持久化方式，RDB 和 AOF
• Redis 执行命令的基本思路

审题

题目本身不复杂，提问者问这个问题的想法可能会有下面几个方面

1. 了解 Redis 的主从复制机制的话，如果在实际使用过程中出现问题就更容易排查
2. 在设计复制机制的时候需要注意和考虑什么问题
3. 这样的设计是否能应用在别的场景中

尝试思考

假设你完全没有看过 Redis 源码来思考这个问题，可以从下面几个角度去尝试分析，并猜测答案。

1. 首先，想到一个关系户，也就是我们常用的 Mysql，它也有主从复制，如果你了解 binlog 那么可以尝试从这里着手，虽然不同，但思路应该是差不多的。
2. 然后，简化问题，主从复制，无非就是将数据发送过去，对方接受保存
3. 不可能每次都复制的是全量数据，那么肯定需要有机制去确保如何每次复制增量的数据

4. 复制的是什么？

   1. 复制的是数据本身？数据只要变动就将变动的 kv 直接扔给从节点？
   2. 复制的是执行命令？将客户端执行的命令发送给子节点执行一次？

解决

有了上面的思考，其实实际也就有思路的。首先主从复制肯定有两种情况，一种就是第一次复制，也就是要执行一次全量复制，将主节点的所有数据到复制到从节点上去；另一种就是增量复制，在数据同步之后后续的增量数据保持同步。

全量同步

持久化数据

因为需要全量同步所有数据，我们知道 Redis 数据在内存里面，既然要发送，那势必需要先持久化一次。也就是先 SYNC 一遍，通过方法 startBgsaveForReplication 来完成的
代码位置在：https://github.com/redis/redis/blob/14f802b360ef52141c83d477ac626cc6622e4eda/src/replication.c#L855
这个问题不大， 就是保存一个 RDB 文件。

发送数据

这个也很不难，就是将数据直接扔过去就好了。
代码位置在：https://github.com/redis/redis/blob/14f802b360ef52141c83d477ac626cc6622e4eda/src/replication.c#L1402

增量同步

后续的任务就是增量同步后续产生的数据了。在猜测时我们想到有两种复制方式，一种是直接复制数据，这种方式复制 RDB 是可行，在全量同步的时候用这个肯定更好，如果同步命令那么从节点还需再执行一次过于复杂和麻烦，还耗时。而对于后续的增量同步来说，肯定是同步命令来的更高效（不过还是得看实际）。

下面就是传播命令的方法：

/* Propagate the specified command (in the context of the specified database id)
 * to AOF and Slaves.
 *
 * flags are an xor between:
 * + PROPAGATE_NONE (no propagation of command at all)
 * + PROPAGATE_AOF (propagate into the AOF file if is enabled)
 * + PROPAGATE_REPL (propagate into the replication link)
 *
 * This is an internal low-level function and should not be called!
 *
 * The API for propagating commands is alsoPropagate().
 *
 * dbid value of -1 is saved to indicate that the called do not want
 * to replicate SELECT for this command (used for database neutral commands).
 */
static void propagateNow(int dbid, robj **argv, int argc, int target) {
    if (!shouldPropagate(target))
        return;

    /* This needs to be unreachable since the dataset should be fixed during
     * replica pause (otherwise data may be lost during a failover) */
    serverAssert(!(isPausedActions(PAUSE_ACTION_REPLICA) &&
                   (!server.client_pause_in_transaction)));

    if (server.aof_state != AOF_OFF && target & PROPAGATE_AOF)
        feedAppendOnlyFile(dbid,argv,argc);
    if (target & PROPAGATE_REPL)
        replicationFeedSlaves(server.slaves,dbid,argv,argc);
}

这个方法就是将增量命令传播给 AOF 和 Slaves，AOF 就是持久化的另一种方式，而 Slaves 就是我们需要同步的从节点了。具体 replicationFeedSlaves 方法就不具体看了。

监控状态

这个其实是我们在猜测的时候漏掉的，想来也是，master 肯定需要知道 slave 的状态，如果连不上了，肯定要处理，在 replication.c 中有这样一个方法

/* Replication cron function, called 1 time per second. */
void replicationCron(void) {

看名字和注释就秒懂了，每秒执行一次的同步定时任务。

而其中调用了 replicationFeedSlaves 方法，也就是 PING 一下，看看活着没

replicationFeedSlaves(server.slaves, -1, ping_argv, 1);

可能导致的问题

第一次同步 RDB 时间太长？

如果我们 redis 存放的数据很多，第一次同步会有两个时间，一个是 bgsave 的时间，这个时间其实还好，毕竟平时就是要执行的，而第二个时间就是传输数据的时间，这个时间就取决于带宽了。

不过首先这个操作时，主节点依旧可以被读写，只不过操作均被缓存了，所以倒是不必担心这段时间无法被使用。难就在如果数据过多可能真的会导致一个问题就是，同步->超时->重试，然后不断循环，所以为了避免这样的情况出现，建议 Redis 前往别直接把主机全部内存吃完。通常 maxmemory 设置为 75% 就相对不会出现问题，也不容易 OOM。

当然，有人肯定会问，能不能直接先手动拷贝 RDB 文件来减少同步时间，实际操作过我告诉你，不要手动操作，容易出现意想不到的问题，当出现问题之后，数据还是会不同步，还是会执行重新同步，还不如第一次就手动让程序自己来。

优化

传播 cache

命令在传播的阶段设置了主从同步发送的缓冲区，通过维护一个缓冲区来保证当主节点无需等待，从节点自己凭实力拿就好了，即使有一段时间突然抖动了一下，也没事，缓冲区里面还有，继续同步就行嘞。但当完全超过缓冲区的承受范围，那么还是需要执行一次全量同步来保证数据一致。

无盘加载

之前看代码的时候就注意到了一个参数 repl_diskless_sync 翻译过来就是无盘同步，显然这个优化是 Redis 注意到第一次同步的时候，如果马上写入 RDB 显然是有点慢了，直接 dump 内存肯定会来的更快，所以这就是无盘，也就是不先落盘。

总结

最后用一张图来总结整个过程

我们看着这个图我们也可以想到，其实这样复制的策略在绝大多数复制的场景中都是适用的，如果实际没有命令这个说法，那就将数据拆分成小块(chunk)来同步。需要注意点和优化点可能 Redis 都帮你想好了，对着抄就可以了。所以，我称为一种设计为 ”单向同步“，那么如果什么是多向同步呢？也就是多个人同时编辑或操作数据，互相同步的策略，此时就需要一些 diff 算法和策略了，你也可以考虑设计看看，看具体会遇到什么问题。

参考链接

• https://redis.io/docs/management/replication/
• https://redis-doc-test.readthedocs.io/en/latest/topics/replic...
• https://developer.baidu.com/article/detail.html?id=294748
• http://machicao2013.github.io/gitbook/redis/replication/princ...
• https://segmentfault.com/a/1190000040248346
• https://www.xiaolincoding.com/redis/cluster/master_slave_repl...