redis学习笔记——主从同步（复制）

时间 2019-11-18

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在Redis中，用户能够经过执行SLAVEOF命令或者设置slaveof选项，让一个服务器去复制（replicate）另外一个服务器，咱们称呼被复制的服务器为主服务器（master），而对主服务器进行复制的服务器则被称为从服务器（slave），如图所示。html

假设如今有两个Redis服务器，地址分别为127.0.0.1:6379和127.0.0.1:12345，若是咱们向服务器127.0.0.1:12345发送如下命令：redis

127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.1 6379
OK数据库

那么服务器127.0.0.1:12345将成为127.0.0.1:6379的从服务器，而服务器127.0.0.1:6379则会成为127.0.0.1:12345的主服务器。安全

（记得去http://redisdoc.com/topic/replication.html上将一些操做进行补充）服务器

本文是按照《Redis设计与实现》一书所整理的，感受原书讲的很是棒，因此下面的这部分的知识将按照原书的逻辑进行介绍：网络

先介绍旧版复制功能在处理断线后从新链接的从服务器时，会赶上怎样的低效状况。新版复制功能是如何经过部分重同步来解决旧版复制功能的低效问题的，并说明部分重同步的实现原理。并发

旧版复制功能的实现

Redis的复制功能分为同步（sync）和命令传播（command propagate）两个操做：异步

同步操做用于将从服务器的数据库状态更新至主服务器当前所处的数据库状态；
命令传播操做则用于在主服务器的数据库状态被修改，致使主从服务器的数据库状态出现不一致时，让主从服务器的数据库从新回到一致状态。

同步

当客户端向从服务器发送SLAVEOF命令，要求从服务器复制主服务器时，从服务器首先须要执行同步操做，也便是，将从服务器的数据库状态更新至主服务器当前所处的数据库状态。ui

从服务器对主服务器的同步操做须要经过向主服务器发送SYNC命令来完成，如下是SYNC命令的执行步骤：spa

从服务器向主服务器发送SYNC命令；
收到SYNC命令的主服务器执行BGSAVE命令，在后台生成一个RDB文件，并使用一个缓冲区记录从如今开始执行的全部写命令；
当主服务器的BGSAVE命令执行完毕时，主服务器会将BGSAVE命令生成的RDB文件发送给从服务器，从服务器接收并载入这个RDB文件，将本身的数据库状态更新至主服务器执行BGSAVE命令时的数据库状态。
主服务器将记录在缓冲区里面的全部写命令发送给从服务器，从服务器执行这些写命令，将本身的数据库状态更新至主服务器数据库当前所处的状态。

命令传播

在执行完同步操做以后，主从服务器之间数据库状态已经相同了。但这个状态并不是一成不变，若是主服务器执行了写操做，那么主服务器的数据库状态就会修改，并致使主从服务器状态再也不一致。

因此为了让主从服务器再次回到一致状态，主服务器须要对从服务器执行命令传播操做：主服务器会将本身执行的写命令，也便是形成主从服务器不一致的那条写命令，发送给从服务器执行，当从服务器执行了相同的写命令以后，主从服务器将再次回到一致状态。

旧版复制功能的缺陷

在Redis中，从服务器对主服务器的复制能够分为如下两种状况：

初次复制：从服务器之前没有复制过任何主服务器，或者从服务器当前要复制的主服务器和上一次复制的主服务器不一样；
断线后重复制：处于命令传播阶段的主从服务器由于网络缘由而中断了复制，但从服务器经过自动重链接从新连上了主服务器，并继续复制主服务器。

对于初次复制来讲，旧版复制功能可以很好地完成任务，但对于断线后重复制来讲，旧版复制功能虽然也能让主从服务器从新回到一致状态，但效率却很是低。

咱们给出一个例子进行说明：

从服务器终于从新链接上主服务器，由于这时主从服务器的状态已经再也不一致，因此从服务器将向主服务器发送SYNC命令，而主服务器会将包含键k1至键k10089的RDB文件发送给从服务器，从服务器经过接收和载入这个RDB文件来将本身的数据库更新至主服务器数据库当前所处的状态。

上面给出的例子可能有一点理想化，由于在主从服务器断线期间，主服务器执行的写命令可能会有成百上千个之多，而不只仅是两三个写命令。但总的来讲，主从服务器断开的时间越短，主服务器在断线期间执行的写命令就越少，而执行少许写命令所产生的数据量一般比整个数据库的数据量要少得多，在这种状况下，为了让从服务器补足一小部分缺失的数据，却要让主从服务器从新执行一次SYNC命令，这种作法无疑是很是低效的。

SYNC命令是一个很是耗费资源的操做

SYNC命令是很是消耗资源的，由于每次执行SYNC命令，主从服务器须要执行一下操做：

主服务器须要执行BGSAVE命令来生成RDB文件，这个生成操做会耗费主服务器大量的CPU、内存和磁盘I/O资源；
主服务器须要将本身生成的RDB文件发送给从服务器，这个发送操做会耗费主从服务器大量的网络资源（带宽和流量），并对主服务器响应命令请求的时间产生影响；
接收到RDB文件的从服务器须要载入主服务器发来的RDB文件，而且在载入期间，从服务器会由于阻塞而没办法处理命令请求。

SYNC是一个如此消耗资源的命令，因此Redis最好在真须要的时候才须要执行SYNC命令。

新版复制功能的实现

为了解决旧版复制功能在处理断线重复制状况时的低效问题，Redis从2.8版本开始，使用PSYNC命令代替SYNC命令来执行复制时的同步操做。

PSYNC命令具备完整重同步（full resynchronization）和部分重同步（partial resynchronization）两种模式：

其中完整重同步用于处理初次复制状况：完整重同步的执行步骤和SYNC命令的执行步骤基本同样，它们都是经过让主服务器建立并发送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；
而部分重同步则用于处理断线后重复制状况：当从服务器在断线后从新链接主服务器时，若是条件容许，主服务器能够将主从服务器链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，就能够将数据库更新至主服务器当前所处的状态。

咱们如今试举一例来看看使用PSYNC处理断线后状况：

下图展现了主从服务器在执行部分重同步时的通讯过程。

其实看到这里的时候内心仍是有一个疑问的：若是上面的例子是T3时候从服务器掉线，而后在T10093的时候才链接上或者更长的时间呢！！！你这样一条指令一条指令地传输过去还不如直接来一个SYNC命令快一些。因此在我看来使用PSYNC进行操做时，何时部分重同步，何时所有重同步是一个策略问题。固然Redis会解决这个问题，因此你们继续看0_0

部分重同步的实现

部分重同步功能由如下三个部分构成：

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）。

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，就将本身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，就将本身的复制偏移量的值加上N；

（我靠！！难道从服务器没有反馈吗？丢包了怎么办？难道是用TCP？你们继续看，我只是想穿插一些个人思路）

经过对比主从服务器的复制偏移量，程序能够很容易地知道主从服务器是否处于一致状态：

若是主从服务器处于一致状态，那么主从服务器二者的偏移量老是相同的；
相反，若是主从服务器二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。

以下面的状况：

假设从服务器A在断线以后就当即从新链接主服务器，而且成功，那么接下来，从服务器将向主服务器发送PSYNC命令，报告从服务器A当前的复制偏移量为10086，那么这时，主服务器应该对从服务器执行完整重同步仍是部分重同步呢？若是执行部分重同步的话，主服务器又如何补偿从服务器A在断线期间丢失的那部分数据呢？以上问题的答案都和复制积压缓冲区有关。

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固定长度（fixed-size）先进先出（FIFO）队列，默认大小为1MB。

和普通先进先出队列随着元素的增长和减小而动态调整长度不一样，固定长度先进先出队列的长度是固定的，当入队元素的数量大于队列长度时，最早入队的元素会被弹出，而新元素会被放入队列。

当主服务器进行命令传播时，它不只会将写命令发送给全部从服务器，还会将写命令入队到复制积压缓冲区里面，如图所示。

所以，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，而且复制积压缓冲区会为队列中的每一个字节记录相应的复制偏移量，就像下表所示的那样。

当从服务器从新连上主服务器时，从服务器会经过PSYNC命令将本身的复制偏移量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做：

若是offset偏移量以后的数据（也便是偏移量offset+1开始的数据）仍然存在于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做；
相反，若是offset偏移量以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做。

根据须要调整复制积压缓冲区的大小

Redis为复制积压缓冲区设置的默认大小为1MB，若是主服务器须要执行大量写命令，又或者主从服务器断线后重链接所需的时间比较长，那么这个大小也许并不合适。若是复制积压缓冲区的大小设置得不恰当，那么PSYNC命令的复制重同步模式就不能正常发挥做用，所以，正确估算和设置复制积压缓冲区的大小很是重要。
复制积压缓冲区的最小大小能够根据公式second*write_size_per_second来估算：

其中second为从服务器断线后从新链接上主服务器所需的平均时间（以秒计算）；
而write_size_per_second则是主服务器平均每秒产生的写命令数据量（协议格式的写命令的长度总和）；

例如，若是主服务器平均每秒产生1 MB的写数据，而从服务器断线以后平均要5秒才能从新链接上主服务器，那么复制积压缓冲区的大小就不能低于5MB。
为了安全起见，能够将复制积压缓冲区的大小设为2*second*write_size_per_second，这样能够保证绝大部分断线状况都能用部分重同步来处理。
至于复制积压缓冲区大小的修改方法，能够参考配置文件中关于repl-backlog-size选项的说明。

服务器运行ID

除了复制偏移量和复制积压缓冲区以外，实现部分重同步还须要用到服务器运行ID（run ID）：

每一个Redis服务器，不论主服务器仍是从服务，都会有本身的运行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，例如53b9b28df8042fdc9ab5e3fcbbbabff1d5dce2b3；

当从服务器对主服务器进行初次复制时，主服务器会将本身的运行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（注意哦，是从服务器保存了主服务器的ID）。

当从服务器断线并从新连上一个主服务器时，从服务器将向当前链接的主服务器发送以前保存的运行ID：

若是从服务器保存的运行ID和当前链接的主服务器的运行ID相同，那么说明从服务器断线以前复制的就是当前链接的这个主服务器，主服务器能够继续尝试执行部分重同步操做；
相反地，若是从服务器保存的运行ID和当前链接的主服务器的运行ID并不相同，那么说明从服务器断线以前复制的主服务器并非当前链接的这个主服务器，主服务器将对从服务器执行完整重同步操做。

PSYNC命令的实现

PSYNC命令的调用方法有两种：

若是从服务器之前没有复制过任何主服务器，或者以前执行过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（由于这时不可能执行部分重同步）；
相反地，若是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 <runid> <offset>命令：其中runid是上一次复制的主服务器的运行ID，而offset则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经过这两个参数来判断应该对从服务器执行哪一种同步操做。

根据状况，接收到PSYNC命令的主服务器会向从服务器返回如下三种回复的其中一种：

若是主服务器返回+FULLRESYNC <runid> <offset>回复，那么表示主服务器将与从服务器执行完整重同步操做：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则是主服务器当前的复制偏移量，从服务器会将这个值做为本身的初始化偏移量；
若是主服务器返回+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做，从服务器只要等着主服务器将本身缺乏的那部分数据发送过来就能够了；
若是主服务器返回-ERR回复，那么表示主服务器的版本低于Redis 2.8，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做。

复制的实现

步骤1：设置主服务器的地址和端口

当客户端向从服务器发送如下命令时：

127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.1 6379
OK

从服务器首先要作的就是将客户端给定的主服务器IP地址127.0.0.1以及端口6379保存到服务器状态的masterhost属性和masterport属性里面：

struct redisServer {
    // ...
    // 主服务器的地址
    char *masterhost;
    // 主服务器的端口
    int masterport;
    // ...
};

SLAVEOF命令是一个异步命令，在完成masterhost属性和masterport属性的设置工做以后，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，而实际的复制工做将在OK返回以后才真正开始执行。

步骤2：创建套接字链接

在SLAVEOF命令执行以后，从服务器将根据命令所设置的IP地址和端口，建立连向主服务器的套接字链接，如图15-14所示。

若是从服务器建立的套接字能成功链接（connect）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做的文件事件处理器，这个处理器将负责执行后续的复制工做，好比接收RDB文件，以及接收主服务器传播来的写命令，诸如此类。

而主服务器在接受（accept）从服务器的套接字链接以后，将为该套接字建立相应的客户端状态，并将从服务器看做是一个链接到主服务器的客户端来对待，这时从服务器将同时具备服务器（server）和客户端（client）两个身份：从服务器能够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。

步骤3：发送PING命令

从服务器成为主服务器的客户端以后，作的第一件事就是向主服务器发送一个PING命令。

这个PING命令主要是为了：

经过发送PING命令检查套接字的读写状态；
经过PING命令能够检查主服务器可否正常处理命令。

从服务器在发送PING命令以后可能遇到如下三种状况：

主服务器向从服务器返回了一个命令回复，但从服务器却不能在规定的时限内读取命令回复的内容(timeout)，说明网络链接状态不佳，从服务器将断开并从新建立连向主服务器的套接字；
若是主服务器返回一个错误，那么表示主服务器暂时没有办法处理从服务器的命令请求，，从服务器也将断开并从新建立连向主服务器的套接字；
若是从服务器读取到"PONG"回复，那么表示主从服务器之间的网络链接状态正常，那就继续执行下面的复制步骤。

步骤4：身份验证

从服务器在收到主服务器返回的"PONG"回复以后，下一步要作的就是决定是否进行身份验证：

若是从服务器设置了masterauth选项，那么进行身份验证。不然不进行身份认证；

在须要进行身份验证的状况下，从服务器将向主服务器发送一条AUTH命令，命令的参数为从服务器masterauth选项的值。

从服务器在身份验证阶段可能遇到的状况有如下几种：

主服务器没有设置requirepass选项，从服务器没有设置masterauth,那么就继续后面的复制工做；
若是从服务器的经过AUTH命令发送的密码和主服务器requirepass选项所设置的密码相同，那么也继续后面的工做，不然返回错误invaild password;
若是主服务器设置了requireoass选项，但从服务器没有设置masterauth选项，那么服务器将返回NOAUTH错误。反过来若是主服务器没有设置requirepass选项，可是从服务器却设置了materauth选项，那么主服务器返回no password is set错误；

全部错误到只有一个结果：停止目前的复制工做，并从建立套接字开始从新执行复制，直到身份验证经过，或者从服务器放弃执行复制为止。

步骤5：发送端口信息

身份验证步骤以后，从服务器将执行命令REPLCONF listening-port <port-number>，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以后，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：

typedef struct redisClient {
    // ...
    // 从服务器的监听端口号
    int slave_listening_port;
    // ...

｝redisClient;

slave_listening_port属性目前惟一的做用就是在主服务器执行INFO replication命令时打印出从服务器的端口号。

步骤6：同步

在这一步，从服务器将向主服务器发送PSYNC命令，执行同步操做，并将本身的数据库更新至主服务器数据库当前所处的状态。

须要注意的是在执行同步操做前，只有从服务器是主服务器的客户端。可是执行从不操做以后，主服务器也会称为从服务器的客户端：

若是PSYNC命令执行的是完整同步操做，那么主服务器只有成为了从服务器的客户端才能将保存在缓冲区中的写命令发送给从服务器执行；
若是PSYNC命令执行的是部分同步操做，那么主服务器只有成为了从服务器的客户端才能将保存在复制积压缓冲区中的写命令发送给从服务器执行；

步骤7：命令传播

当完成了同步以后，主从服务器就会进入命令传播阶段，这时主服务器只要一直将本身执行的写命令发送给从服务器，而从服务器只要一直接收并执行主服务器发来的写命令，就能够保证主从服务器一直保持一致了。

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>

其中replication_offset是从服务器当前的复制偏移量。

发送REPLCONF ACK命令对于主从服务器有三个做用：

检测主从服务器的网络链接状态；
辅助实现min-slaves选项；
检测命令丢失。

检测主从服务器的网络链接状态

若是主服务器超过一秒钟没有收到从服务器发来的REPLCONF ACK命令，那么主服务器就知道主从服务器之间的链接出现问题了。

经过向主服务器发送INFO replication命令，在列出的从服务器列表的lag一栏中，咱们能够看到相应从服务器最后一次向主服务器发送REPLCONF ACK命令距离如今过了多少秒：

127.0.0.1:6379> INFO replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=127.0.0.1,port=12345,state=online,offset=211,lag=0

#刚刚发送过 REPLCONF ACK命令
slave1:ip=127.0.0.1,port=56789,state=online,offset=197,lag=15

#15秒以前发送过REPLCONF ACK命令

master_repl_offset:211
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:2
repl_backlog_histlen:210

在通常状况下，lag的值应该在0秒或者1秒之间跳动，若是超过1秒的话，那么说明主从服务器之间的链接出现了故障。

辅助实现min-slaves配置选项

Redis的min-slaves-to-write和min-slaves-max-lag两个选项能够防止主服务器在不安全的状况下执行写命令。

举个例子，若是咱们向主服务器提供如下设置：

min-slaves-to-write 3
min-slaves-max-lag 10

那么在从服务器的数量少于3个，或者三个从服务器的延迟（lag）值都大于或等于10秒时，主服务器将拒绝执行写命令，这里的延迟值就是上面提到的INFO replication命令的lag值。

检测命令丢失

咱们从命令：REPLCONF ACK <replication_offset>就能够知道，每发送一次这个命令从服务器都会向主服务器报告一次本身的复制偏移量。那此时尽管主服务器发送给从服务器的SET key value丢失了。也无所谓，主服务器立刻就知道了。