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10.redis学习笔记-复制.md

分类: 文章 • 2025-03-08 11:18:10

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14. 复制

Redis中，可以使用 SLAVEOF 命令或者设置 slaveof 选项，让一个服务器去复制另外一个服务器，被复制的服务器称为主服务器，对主服务器进行复制的服务器称为从服务器。

for example:

127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.1 6379
OK

在这里面，那么服务器 127.0.0.1:12345 就是127.0.0.1::6379的从服务器，
而服务器127.0.0.1:6379就是127.0.0.1:12345的从服务器

进行复制中的主从服务器双方的数据库将保存相同的数据。

14.1. 旧版复制功能的实现

Redis的复制功能分为两步 同步(sync)和命令传播(command propagate)：

  • 同步(sync)

    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(command propagate)

    用于在主服务器上的数据库状态被修改，导致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状态重新回到一致。

14.1.1. 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，从服务器首先需要执行同步操作，也就是，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。

从服务器对主服务器的同步操作需要通过向从服务器发送 SYNC 命令完成，步骤如下：

  1. 从服务器向主服务器发送 SYNC 命令
  2. 收到 SYNC 命令的主服务器黄子行 BGSAVE 命令，在后台生成一个 RDB文件，并使用一个缓冲区记录从现在开始执行的所有写命令
  3. 当主服务器的 BGSAVE 命令执行完毕时，主服务器将 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，将自己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
  4. 主服务器将记录在缓冲区里面的所有写命令发送给从服务器，从服务器执行这些写命令，将自己的数据库状态更新至主服务器数据库当前的所处状态

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下表 展示了一个主从服务器进行同步的例子。

时间 主服务器 从服务器
T0 服务器启动。 服务器启动。
T1 执行 SET k1 v1 。
T2 执行 SET k2 v2 。
T3 执行 SET k3 v3 。
T4 向主服务器发送 SYNC 命令。
T5 接收到从服务器发来的 SYNC 命令， 执行 BGSAVE 命令， 创建包含键 k1 、 k2 、 k3 的 RDB 文件， 并使用缓冲区记录接下来执行的所有写命令。
T6 执行 SET k4 v4 ， 并将这个命令记录到缓冲区里面。
T7 执行 SET k5 v5 ， 并将这个命令记录到缓冲区里面。
T8 BGSAVE 命令执行完毕， 向从服务器发送 RDB 文件。
T9 接收并载入主服务器发来的 RDB 文件 ， 获得 k1 、 k2 、 k3 三个键。
T10 向从服务器发送缓冲区中保存的写命令 SET k4 v4 和 SET k5 v5。
T11 接收并执行主服务器发来的两个 SET 命令， 得到 k4 和 k5 两个键。
T12 同步完成， 现在主从服务器两者的数据库都包含了键 k1 、 k2 、 k3 、 k4 和 k5 。 同步完成， 现在主从服务器两者的数据库都包含了键 k1 、 k2 、 k3 、 k4 和 k5 。

14.1.2. 命令传播

在同步操作执行完毕之后，主从服务器两者的数据库将达到一致状态，但是当主服务器执行了客户端的写命令之后，主服务器的数据库就可能被修改，导致主从服务器状态不一致。

而为了让主从服务器的数据库状态一致，主服务器需要对从服务器执行命令传播操作: 主服务器将自己执行的写命令————也就是导致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之后，主从服务器又回到了一致状态。

14.2. 旧版复制功能的缺陷

Redis中，从服务器对主服务器的复制可以分为以下两种情况：

  • 初次复制

    从服务器以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次复制的主服务器不用

  • 断线后重复制

    处于命令传播阶段的主从服务器因为网络原因而中断了复制，但从服务器通过自动重连接重新连接上了主服务器，并继续复制主服务器。

这两种情况下，旧版复制功能能很好的完成初次复制，但是对于断线后重复制，虽然能做到让主从服务器重新回到一致状态，但是效率贼低。

下表是 从服务器在断线后重新复制主服务器的例子

时间 主服务器 从服务器
T0 主从服务器完成同步 主从服务器完成同步
T1 执行并传播 SET k1 v1 执行主服务器传来的 SET k1 v1
T2 执行并传播 SET k2 v2 执行主服务器传来的 SET k2 v2
…… …… ……
T10085 执行并传播 SET k10085 v10085 执行主服务器传来的 SET k10085 v10085
T10086 执行并传播 SET k10086 v10086 执行主服务器传来的 SET k10086 v10086
T10087 主从服务器连接后断开 主从服务器连接后断开
T10088 执行 SET k10087 v10087 断线中，尝试重新连接主服务器
T10089 执行 SET k10088 v10088 断线中，尝试重新连接主服务器
T10090 执行 SET k10089 v10089 断线中，尝试重新连接主服务器
T10091 主从服务器重新连接 主从服务器重新连接
T10092 向主服务器发送 SYNC 命令
T10093 接收到从服务器发来的 SYNC命令，执行 BGSAVE 命令，创建包含键k1至键k10089的RDB文件，并使用缓冲区记录接下来执行的所有写命令
T10094 BGSAVE 命令执行完毕，向从服务器发送RDB文件
T10095 接收并载入主服务器发来的RDB文件，获取键k1至键k10089
T10096 因为在 BGSAVE 命令执行期间，主服务器没有执行任何写命令，所以跳过发送缓冲区包含的写命令这一步
T10097 主从服务器再次完成同步 主从服务器再次完成同步

由上面可以知道，断线后重连，其实我们真正需要的是将新的k10087、k10088、k10089同步，而不是重新同步所有的键。

所以旧版复制对断线后重连十分不友好。

14.3. 新版复制功能的实现

新版复制就是为了解决旧版复制断线后重连后的低效问题。

至Redis 2.8版本之后，采用 PSYNC 命令来代替 SYNC 命令来执行复制时的同步操作。

PSYNC 具有完成重同步和部分重同步模式：

  • 完整重同步

    用于处理初次复制情况,步骤基本和 SYNC 命令的执行步骤一样，都是主服务器创建并发送RDB文件，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

    用于断线后重复制情况,当从服务器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，就可以将数据库更新至主服务器当前所处的状态

下表是 使用 PSYNC 命令来进行断线后重复制

时间 主服务器 从服务器
T0 主从服务器完成同步 主从服务器完成同步
T1 执行并传播 SET k1 v1 执行主服务器传来的 SET k1 v1
T2 执行并传播 SET k2 v2 执行主服务器传来的 SET k2 v2
…… …… ……
T10085 执行并传播 SET k10085 v10085 执行主服务器传来的 SET k10085 v10085
T10086 执行并传播 SET k10086 v10086 执行主服务器传来的 SET k10086 v10086
T10087 主从服务器连接后断开 主从服务器连接后断开
T10088 执行 SET k10087 v10087 断线中，尝试重新连接主服务器
T10089 执行 SET k10088 v10088 断线中，尝试重新连接主服务器
T10090 执行 SET k10089 v10089 断线中，尝试重新连接主服务器
T10091 主从服务器重新连接 主从服务器重新连接
T10092 向主服务器发送 PSYNC 命令
T10093 向从服务器返回 +CONTINUE 回复，表示执行部分同步
T10094 接收 +CONTINUE 回复，准备执行部分重同步
T10095 向从服务器发送 SET k10087 v10087 、SET k10088 v10088、SET k10089 v10089三个命令
T10096 接收并执行主服务器传来的三个 SET 命令
T10097 主从服务器再次完成同步 主从服务器再次完成同步

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14.4. 部分重同步的实现

三个部分：

  • 主服务器的复制偏移量和从服务器的复制偏移量
  • 主服务器的复制积压缓冲区
  • 服务器的运行ID

14.4.1. 复制偏移量

主从服务器都分别维护着一个复制偏移量：

  • 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
  • 从服务器每次接收到主服务传播来的N个字节的数据，就将自己的复制偏移量的值加上N

我们通过对比主从服务器的复制偏移量，可以直观的看出主从服务器是否处于一致状态(一致状态下，主从服务器的复制偏移量相同)。

14.4.2. 复制积压缓冲区

复制积压缓冲区是由主服务器维护一个固定长度先进先出队列，默认大小 1MB。

当主服务器进行命令传播时，它不仅会将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中。

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断线后重连上主服务器时，从服务器会将自己维护的复制偏移量发送给主服务器，主服务器根绝这个复制偏移量来决定对从服务器执行何种同步操作：

  • 如果这个偏移量之后的数据(即偏移量offse+1后的开始的数据)，仍然存在于复制积压缓冲区里，主服务器将对从服务器执行部分重同步操作
  • 如果这个偏移量之后的数据不存在与复制积压缓冲区，那么主服务器对服务器执行完整重同步操作
根据需要调整复制积压缓冲区的打小

Redis为复制积压缓冲区设置的默认大小为1MB，如果主服务器需要执行大量写命令，又或者主从服务器断线后重连接所需的时间比较长，那么这个大小也许并不合适。如果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作用，因此，正确估算和设置复制积压缓冲区的大小非常重要。
复制积压缓冲区的最小大小可以根据公式second*write_size_per_second来估算：

  • 其中second为从服务器断线后重新连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，如果主服务器平均每秒产生1 MB的写数据，而从服务器断线之后平均要5秒才能重新连接上主服务器，那么复制积压缓冲区的大小就不能低于5MB。
为了安全起见，可以将复制积压缓冲区的大小设为2*second*write_size_per_second，这样可以保证绝大部分断线情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，可以参考配置文件中关于repl-backlog-size选项的说明。

14.4.3. 服务器运行ID

  • 每个Redis，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，主服务器会将自己的运行ID传送给从服务器，从服务器将这个ID保存下来。

当从服务器断线后重连主服务器时，从服务器将向当前连接的主服务器发送之前保存的ID：

  • 如果ID相同，则表示当前连接的主服务器是断线之前连接的那个服务器，主服务器可以继续执行部分重同步
  • 如果不同，则表示当前连接的主服务器不是断线之前连接的那个主服务器，主服务器对从服务器执行完整重同步操作

14.5. PSYNC 命令的实现

PSYNC 命令调用的两种方式：

  • 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
  • 如果已经复制过了，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
    • runid 是上一次复制的主服务器的运行ID
    • offset 是从服务器当前的复制偏移量
    • 主服务器通过这两个参数判断应该对从服务器执行哪种同步操作

根据命令的不同，主服务器向从服务器返回的回复也不同：

  • 如果主服务器返回 +FULLRESYNC <runid> <offset> 回复，则表示主服务器将与从服务器执行完整重同步操作
    • runid 是这个主服务器的运行ID，从服务器将这个ID保存下来
    • offset 则是主服务器当前的复制偏移量，从服务器根据这个值作为自己的初始化偏移量
  • 返回 +CONTINUE 回复，就是执行部分重同步，前面也有介绍了(表中)
  • 返回 -ERR 回复，表示主服务器Redis版本低于Redis2.8，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

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14.6. 复制的实现

通过对从服务器发送 SLAVEOF 命令，我们可以让一个从服务器去复制一个主服务器：

SLAVEOF <master_ip> <master_port>

14.6.1. 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以下命令时：

127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.1 6379
OK

从服务器首先要做的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：

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

注: SLAVEOF 是一个异步命令，在完成 masterhost 和 masterport 属性的设置工作之后，从服务器将向发送 SLAVEOF 命令的客户单返回 OK，表示复制指令已经被接收，而实际的复制工作将在 Ok 发挥之后才真正开始执行。

14.6.2. 步骤2：建立套接字连接

在 SLAVEOf 命令执行之后，从服务器将根据命令所设置的IP地址和端口，创建联想主服务器的套接字连接，如下图所示：

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如果从服务器创建的套接字能成功连接到主服务器，那么从服务器将这个套接字关联一个专门用于处理复制工作的文件时间处理器，这个处理器将负责后续的复制工作。

而主服务器正在接受从服务器的套接字连接之后，将为改套接字创建相应的客户端状态，并将从服务器看做是一个连接到主服务器的客户端来对待。这时候从服务器既可以向主服务器发送命令请求，而主服务器则会想从服务器返回命令回复。

14.6.3. 发送 PING 命令

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

  • 通过发送 PING 命令检查套接字的读写状态
  • 通过 PING 命令检查主服务器能否正常处理命令

从服务器发送 PING 命令后可能会遇到的三种情况：

  • 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)，说明网络连接状态不佳，从服务器将断开并重新创建连向主服务器的套接字；
  • 如果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，那就继续执行下面的复制步骤。

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14.6.4. 身份验证

在从服务器接收到主服务器回复的 PONG 回复之后，决定是否需要进行身份验证：

  • 如果从服务器设置了masterauth选项，那么进行身份验证。否则不进行身份认证；

在需要进行身份验证的情况下，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情况有以下几种：

  • 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作；
  • 如果从服务器的通过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作，否则返回错误invaild password;
  • 如果主服务器设置了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。反过来如果主服务器没有设置requirepass选项，但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；

所有错误到只有一个结果：中止目前的复制工作，并从创建套接字开始重新执行复制，直到身份验证通过，或者从服务器放弃执行复制为止。

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14.6.5. 步骤5：发送端口信息

身份验证步骤之后，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：

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

｝redisClient;

slave_listening_port属性目前唯一的作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。

14.6.6. 步骤6：同步

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

需要注意的是在执行同步操作前，只有从服务器是主服务器的客户端。但是执行从不操作之后，主服务器也会称为从服务器的客户端：

  • 如果PSYNC命令执行的是完整同步操作，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；
  • 如果PSYNC命令执行的是部分同步操作，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；

14.6.7. 步骤7：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，这时主服务器只要一直将自己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，就可以保证主从服务器一直保持一致了。

14.7. 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，向从服务器发送命令：

REPLCONF ACK <replication_offset>

其中的 replication_offset 就是从服务器当前的复制偏移量

发送这条命令的作用有三个：

14.7.1. 检测主从服务器器的网络连接状态

如果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连接出现问题了。

通过向主服务器发送INFO replication命令，在列出的从服务器列表的lag一栏中，我们可以看到相应从服务器最后一次向主服务器发送REPLCONF ACK命令距离现在过了多少秒：

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秒之前发送过REPLCONF ACK命令

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

在一般情况下，**lag的值应该在0秒或者1秒之间跳动，**如果超过1秒的话，那么说明主从服务器之间的连接出现了故障。

14.7.2. 辅助实现 min-slaves 配置选项

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

举个例子，如果我们向主服务器提供以下设置：

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。

14.7.3. 检测命令丢失

我们从命令：REPLCONF ACK <replication_offset>就可以知道，每发送一次这个命令从服务器都会向主服务器报告一次自己的复制偏移量。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，主服务器马上就知道了。

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