Redis主从复制原理

时间：2022-04-05 05:18:15

1、全量复制

  • 流程
    • slave 向 master 传递命令 psync? -1 （因为第一次通信不知道master的runid和偏移量，所以传-1）
    • master 向 slave 返回runid 和偏移量
    • slave 保存 master 的信息
    • master 执行 bgsave 生产RDB快照（这个过程会耗费主服务器大量的CPU、内存和磁盘I/O资源）
    • master 做send RDB 操作 向 slave 同步快照信息（耗费主服务器大量的网络资源包括带宽和流量，并对主服务器响应命令请求的时间产生影响）
    • master 做 send buffer 操作 ， 向 slave 同步 生成快照过程中的 缓存命令（这个缓存区应该是replication buffer）
    • slave 加载 RDB文件及数据（从在加载的过程中会因为阻塞而没办法处理命令请求）
  • 开销
    • bgsave时间
    • RDB文件网络传输时间
    • 从节点清空数据时间
    • 从节点加载RDB的时间
    • 可能的AOF重写时间

Redis主从复制原理

2、部分复制（部分同步用于处理断线后的重复制情况）

  • redis 2.8后的功能，当网络发生抖动断开后，会用到部分复制的功能
  • 当网络发生抖动，slave会与master断开
  • master 写命令时，会写一份复制缓冲区的命令
  • 当slave在此连接master时 ，传递命令 psync {offset} {runid} ,告诉 master 自己当前的偏移量是多少
  • master 向 slave 返回CONTINUE 把 缺失的内容 传递过去。

Redis主从复制原理

部分复制讲解：

sync虽然解决了数据同步问题，但是在数据量比较大情况下，从库断线从来依然采用全量复制机制，无论是从数据恢复、宽带占用来说，sync所带来的问题还是很多的。于是redis从2.8开始，引入新的命令psync。命令psync实现依赖以下三个关键点：

1.offset（复制偏移量）：

　　主库和从库分别各自维护一个复制偏移量（可以使用info replication查看），用于标识自己复制的情况，在主库中代表主节点向从节点传递的字节数，在从库中代表从库同步的字节数。每当主库向从节点发送N个字节数据时，主节点的offset增加N，从库每收到主节点传来的N个字节数据时，从库的offset增加N。因此offset总是不断增大，这也是判断主从数据是否同步的标志，若主从的offset相同则表示数据同步量，不通则表示数据不同步。以下图示分别代表某个时刻两个主从的同步情况（以下是4.0版本截图）：

Redis主从复制原理

Redis主从复制原理

 

　　

　　2.replication backlog buffer（复制积压缓冲区）：

　　复制积压缓冲区是一个固定长度的FIFO队列，大小由配置参数repl-backlog-size指定，默认大小1MB。需要注意的是该缓冲区由master维护并且有且只有一个，所有slave共享此缓冲区，其作用在于备份最近主库发送给从库的数据。

　　在主从命令传播阶段，主节点除了将写命令发送给从节点外，还会发送一份到复制积压缓冲区，作为写命令的备份。除了存储最近的写命令，复制积压缓冲区中还存储了每个字节相应的复制偏移量（如下图），由于复制积压缓冲区固定大小先进先出的队列，所以它总是保存的是最近redis执行的命令。

Redis主从复制原理

 

　　3.run_id(服务器运行的唯一ID)

　　每个redis实例在启动时候，都会随机生成一个长度为40的唯一字符串来标识当前运行的redis节点，查看此id可通过命令info server查看。

　　当主从复制在初次复制时，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，主节点会更具offset偏移量之后的数据判断是否执行部分复制，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，否则执行全量复制；
  • 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;

 

　　介绍完三个概念以后，接下来就可以介绍redis2.8提供的psync命令实现过程，如下图：

Redis主从复制原理

 

　　图文说明：

  • 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（因为这时不可能执行部分重同步）；
  • 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 <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通过这两个参数来判断应该对从服务器执行哪种同步操作，如何判断已经在介绍runid时进行详细说明。

根据情况，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 <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则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就可以了；
  • 如果主服务器返回-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作。

　　由此可见psync也有不足之处，当从库重启以后runid发生变化，也就意味者从库还是会进行全量复制，而在实际的生产中进行从库的维护很多时候会进行重启，而正是有由于全量同步需要主库执行快照，以及数据传输会带不小的影响。因此在4.0版本，psync命令做了改进，以下说明。

psync2

　　redis4.0新版本除了增加混合持久化，还优化了psync（以下称psync2）并实现即使redis实例重启的情况下也能实现部分同步，下面主要介绍psync2实现过程。psync2在psync1基础上新增两个复制id（可使用info replication 查看如下图）：

  • master_replid: 复制id1(后文简称：replid1)，一个长度为41个字节(40个随机串+’0’)的字符串，每个redis实例都有，和runid没有直接关联，但和runid生成规则相同。当实例变为从实例后，自己的replid1会被主实例的replid1覆盖。

  • master_replid2：复制id2(后文简称:replid2),默认初始化为全0，用于存储上次主实例的replid1。

Redis主从复制原理

 

　　在4.0之前的版本，redis复制信息完全丢失，所以每个实例重启后只能进行全量复制，到了4.0版本，任然可以使用部分同步，其实现过程：

第一步：存储复制信息

　　redis在关闭时，通过shutdown save,都会调用rdbSaveInfoAuxFields函数，把当前实例的repl-id和repl-offset保存到RDB文件中,当前的RDB存储的数据内容和复制信息是一致性的可通过redis-check-rdb命令查看。

第二步：重启后加载RDB文件中的复制信息

　　redis加载RDB文件，会专门处理文件中辅助字段(AUX fields）信息，把其中repl_id和repl_offset加载到实例中，分别赋给master_replid和master_repl_offset两个变量值，特别注意当从库开启了AOF持久化，redis加载顺序发生变化优先加载AOF文件，但是由于aof文件中没有复制信息，所以导致重启后从实例依旧使用全量复制！

第三步：向主库上报复制信息，判断是否进行部分同步

　　从实例向主库上报master_replid和master_repl_offset+1；从实例同时满足以下两条件，就可以部分重新同步，否则执行全量同步：

  • 从实例上报master_replid串，与主实例的master_replid1或replid2有一个相等，用于判断主从未发生改变；
  • 从实例上报的master_repl_offset+1字节，还存在于主实例的复制积压缓冲区中，用于判断从库丢失部分是否在复制缓冲区中；

 

psync2除了解决redis重启使用部分同步外，还为解决在主库故障时候从库切换为主库时候使用部分同步机制。redis从库默认开启复制积压缓冲区功能，以便从库故障切换变化master后，其他落后该从库可以从缓冲区中获取缺少的命令。该过程的实现通过两组replid、offset替换原来的master runid和offset变量实现：

  • 第一组：master_replid和master_repl_offset：如果redis是主实例，则表示为自己的replid和复制偏移量； 如果redis是从实例，则表示为自己主实例的replid1和同步主实例的复制偏移量。
  • 第二组：master_replid2和second_repl_offset：无论主从，都表示自己上次主实例repid1和复制偏移量；用于兄弟实例或级联复制，主库故障切换psync。

判断是否使用部分复制条件：如果从库提供的master_replid与master的replid不同，且与master的replid2不同，或同步速度快于master； 就必须进行全量复制，否则执行部分复制。

以下常见的主从切换都可以使用部分复制：

  1. 一主一从发生切换，A->B 切换变成 B->A ;
  2. 一主多从发生切换，兄弟节点变成父子节点时；
  3. 级别复制发生切换， A->B->C 切换变成 B->C->A；

用一句redis开发者话来说psync2，尽管它不是非常完美，但是已经非常适用。


部分复制讲解原文链接：https://juejin.im/post/5b67029c6fb9a04fa42fd592

 

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