Redis进阶 - 高可用：主从复制详解
Redis进阶 - 高可用：主从复制详解
我们知道要避免单点故障，即保证高可用，便需要冗余（副本）方式提供集群服务。而Redis 提供了主从库模式，以保证数据副本的一致，主从库之间采用的是读写分离的方式。本文主要阐述Redis的主从复制。
1. 主从复制概述
主从复制，是指将一台Redis服务器的数据，复制到其他的Redis服务器。前者称为主节点(master)，后者称为从节点(slave)；数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。
主从复制的作用主要包括：
- 数据冗余：主从复制实现了数据的热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式。
- 故障恢复：当主节点出现问题时，可以由从节点提供服务，实现快速的故障恢复；实际上是一种服务的冗余。
- 负载均衡：在主从复制的基础上，配合读写分离，可以由主节点提供写服务，由从节点提供读服务（即写Redis数据时应用连接主节点，读Redis数据时应用连接从节点），分担服务器负载；尤其是在写少读多的场景下，通过多个从节点分担读负载，可以大大提高Redis服务器的并发量。
- 高可用基石：除了上述作用以外，主从复制还是哨兵和集群能够实施的基础，因此说主从复制是Redis高可用的基础。
主从库之间采用的是读写分离的方式。
- 读操作：主库、从库都可以接收；
- 写操作：首先到主库执行，然后，主库将写操作同步给从库。
2. 主从复制原理
注意：在2.8版本之前只有全量复制，而2.8版本后有全量和增量复制：
全量（同步）复制：比如第一次同步时增量（同步）复制：只会把主从库网络断连期间主库收到的命令，同步给从库
2.1 全量复制
当我们启动多个 Redis 实例的时候，它们相互之间就可以通过 replicaof（Redis 5.0 之前使用 slaveof）命令形成主库和从库的关系，之后会按照三个阶段完成数据的第一次同步。
- 确立主从关系
例如，现在有实例 1（ip：172.16.19.3）和实例 2（ip：172.16.19.5），我们在实例 2 上执行以下这个命令后，实例 2 就变成了实例 1 的从库，并从实例 1 上复制数据：
replicaof 172.16.19.3 6379
- 全量复制的三个阶段
你可以先看一下下面这张图，有个整体感知，接下来我再具体介绍。
第一阶段是主从库间建立连接、协商同步的过程，主要是为全量复制做准备。在这一步，从库和主库建立起连接，并告诉主库即将进行同步，主库确认回复后，主从库间就可以开始同步了。
具体来说，从库给主库发送 psync 命令，表示要进行数据同步，主库根据这个命令的参数来启动复制。psync 命令包含了主库的 runID 和复制进度 offset 两个参数。runID，是每个 Redis 实例启动时都会自动生成的一个随机 ID，用来唯一标记这个实例。当从库和主库第一次复制时，因为不知道主库的 runID，所以将 runID 设为“？”。offset，此时设为 -1，表示第一次复制。主库收到 psync 命令后，会用 FULLRESYNC 响应命令带上两个参数：主库 runID 和主库目前的复制进度 offset，返回给从库。从库收到响应后，会记录下这两个参数。这里有个地方需要注意，FULLRESYNC 响应表示第一次复制采用的全量复制，也就是说，主库会把当前所有的数据都复制给从库。
第二阶段，主库将所有数据同步给从库。从库收到数据后，在本地完成数据加载。这个过程依赖于内存快照生成的 RDB 文件。
具体来说，主库执行 bgsave 命令，生成 RDB 文件，接着将文件发给从库。从库接收到 RDB 文件后，会先清空当前数据库，然后加载 RDB 文件。这是因为从库在通过 replicaof 命令开始和主库同步前，可能保存了其他数据。为了避免之前数据的影响，从库需要先把当前数据库清空。在主库将数据同步给从库的过程中，主库不会被阻塞，仍然可以正常接收请求。否则，Redis 的服务就被中断了。但是，这些请求中的写操作并没有记录到刚刚生成的 RDB 文件中。为了保证主从库的数据一致性，主库会在内存中用专门的 replication buffer，记录 RDB 文件生成后收到的所有写操作。
第三个阶段，主库会把第二阶段执行过程中新收到的写命令，再发送给从库。
具体的操作是，当主库完成 RDB 文件发送后，就会把此时 replication buffer 中的修改操作发给从库，从库再重新执行这些操作。这样一来，主从库就实现同步了。
2.2 增量复制
在 Redis 2.8 版本引入了增量复制。
- 为什么会设计增量复制？
如果主从库在命令传播时出现了网络闪断，那么，从库就会和主库重新进行一次全量复制，开销非常大。从 Redis 2.8 开始，网络断了之后，主从库会采用增量复制的方式继续同步。
- 增量复制的流程
你可以先看一下下面这张图，有个整体感知，接下来我再具体介绍。
先看两个概念： repl_backlog_buffer 和 replication buffer
repl_backlog_buffer：它是为了从库断开之后，如何找到主从差异数据而设计的环形缓冲区，从而避免全量复制带来的性能开销。如果从库断开时间太久，repl_backlog_buffer环形缓冲区被主库的写命令覆盖了，那么从库连上主库后只能乖乖地进行一次全量复制，所以repl_backlog_buffer配置尽量大一些，可以降低主从断开后全量复制的概率。而在repl_backlog_buffer中找主从差异的数据后，如何发给从库呢？这就用到了replication buffer。replication buffer：Redis和客户端通信也好，和从库通信也好，Redis都需要给分配一个 内存buffer进行数据交互，客户端是一个client，从库也是一个client，我们每个client连上Redis后，Redis都会分配一个client buffer，所有数据交互都是通过这个buffer进行的：Redis先把数据写到这个buffer中，然后再把buffer中的数据发到client socket中再通过网络发送出去，这样就完成了数据交互。所以主从在增量同步时，从库作为一个client，也会分配一个buffer，只不过这个buffer专门用来传播用户的写命令到从库，保证主从数据一致，我们通常把它叫做replication buffer。
2.2.1 repl_backlog_size环形缓冲区写满之后
如果在网络断开期间，repl_backlog_size环形缓冲区写满之后，从库是会丢失掉那部分被覆盖掉的数据，还是直接进行全量复制呢？
对于这个问题来说，有两个关键点：
- 一个从库如果和主库断连时间过长，造成它在主库repl_backlog_buffer的slave_repl_offset位置上的数据已经被覆盖掉了，此时从库和主库间将进行全量复制。
- 每个从库会记录自己的slave_repl_offset，每个从库的复制进度也不一定相同。在和主库重连进行恢复时，从库会通过psync命令把自己记录的slave_repl_offset发给主库，主库会根据从库各自的复制进度，来决定这个从库可以进行增量复制，还是全量复制。
2.3 命令传播
经过上面同步操作，此时主从的数据库状态其实已经一致了，但这种一致的状态的并不是一成不变的。 在完成同步之后，也许主服务器马上就接受到了新的写命令，执行完该命令后，主从的数据库状态又不一致。
数据同步阶段完成后，主从节点进入命令传播阶段；在这个阶段主节点将自己执行的写命令发送给从节点，从节点接收命令并执行，从而保证主从节点数据的一致性。
另外命令转播我们需要关注两个点： 延迟与不一致 和 心跳机制 我们下面介绍一下
延迟与不一致 需要注意的是，命令传播是异步的过程，即主节点发送写命令后并不会等待从节点的回复；因此实际上主从节点之间很难保持实时的一致性，延迟在所难免。数据不一致的程度，与主从节点之间的网络状况、主节点写命令的执行频率、以及主节点中的repl-disable-tcp-nodelay配置等有关。
repl-disable-tcp-nodelay 配置如下：
- 假如设置成yes，则redis会合并小的TCP包从而节省带宽，但会增加同步延迟（40ms），造成master与slave数据不一致
- 假如设置成no，则redis master会立即发送同步数据，没有延迟（多数情况，强调一致性）
概括来说就是：前者关注性能，后者关注一致性
具体发送频率与Linux内核的配置有关，默认配置为40ms。当设置为no时，TCP会立马将主节点的数据发送给从节点，带宽增加但延迟变小。
一般来说，只有当应用对Redis数据不一致的容忍度较高，且主从节点之间网络状况不好时，才会设置为yes；多数情况使用默认值no
3. 更深入理解
我们通过几个问题来深入理解主从复制。
3.1 当主服务器不进行持久化时复制的安全性
在进行主从复制设置时，强烈建议在主服务器上开启持久化，当不能这么做时，比如考虑到延迟的问题，应该将实例配置为避免自动重启。
为什么不持久化的主服务器自动重启非常危险呢？为了更好的理解这个问题，看下面这个失败的例子，其中主服务器和从服务器中数据库都被删除了。
- 我们设置节点A为主服务器，关闭持久化，节点B和C从节点A复制数据。
- 这时出现了一个崩溃，但Redis具有自动重启系统，重启了进程，因为关闭了持久化，节点重启后只有一个空的数据集。
- 节点B和C从节点A进行复制，现在节点A是空的，所以节点B和C上的复制数据也会被删除。
- 当在高可用系统中使用Redis Sentinel，关闭了主服务器的持久化，并且允许自动重启，这种情况是很危险的。比如主服务器可能在很短的时间就完成了重启，以至于Sentinel都无法检测到这次失败，那么上面说的这种失败的情况就发生了。
如果数据比较重要，并且在使用主从复制时关闭了主服务器持久化功能的场景中，都应该禁止实例自动重启。
3.2 为什么主从全量复制使用RDB而不使用AOF？
RDB文件内容是经过压缩的二进制数据（不同数据类型数据做了针对性优化），文件很小。而AOF文件记录的是每一次写操作的命令，写操作越多文件会变得很大，其中还包括很多对同一个key的多次冗余操作。在主从全量数据同步时，传输RDB文件可以尽量降低对主库机器网络带宽的消耗，从库在加载RDB文件时，一是文件小，读取整个文件的速度会很快，二是因为RDB文件存储的都是二进制数据，从库直接按照RDB协议解析还原数据即可，速度会非常快，而AOF需要依次重放每个写命令，这个过程会经历冗长的处理逻辑，恢复速度相比RDB会慢得多，所以使用RDB进行主从全量复制的成本最低。
假设要使用AOF做全量复制，意味着必须打开AOF功能，打开AOF就要选择文件刷盘的策略，选择不当会严重影响Redis性能。而RDB只有在需要定时备份和主从全量复制数据时才会触发生成一次快照。而在很多丢失数据不敏感的业务场景，其实是不需要开启AOF的。
3.3 为什么还有无磁盘复制模式？
Redis 默认是磁盘复制，但是如果使用比较低速的磁盘，这种操作会给主服务器带来较大的压力。Redis从2.8.18版本开始尝试支持无磁盘的复制。使用这种设置时，子进程直接将RDB通过网络发送给从服务器，不使用磁盘作为中间存储。
无磁盘复制模式：master创建一个新进程直接dump RDB到slave的socket，不经过主进程，不经过硬盘。适用于disk较慢，并且网络较快的时候。
使用repl-diskless-sync配置参数来启动无磁盘复制。
使用repl-diskless-sync-delay 参数来配置传输开始的延迟时间；master等待一个repl-diskless-sync-delay的秒数，如果没slave来的话，就直接传，后来的得排队等了; 否则就可以一起传。
3.4 为什么还会有从库的从库的设计？
通过分析主从库间第一次数据同步的过程，你可以看到，一次全量复制中，对于主库来说，需要完成两个耗时的操作：生成 RDB 文件和传输 RDB 文件。
如果从库数量很多，而且都要和主库进行全量复制的话，就会导致主库忙于 fork 子进程生成 RDB 文件，进行数据全量复制。fork 这个操作会阻塞主线程处理正常请求，从而导致主库响应应用程序的请求速度变慢。此外，传输 RDB 文件也会占用主库的网络带宽，同样会给主库的资源使用带来压力。那么，有没有好的解决方法可以分担主库压力呢？
其实是有的，这就是“主 - 从 - 从”模式。
在刚才介绍的主从库模式中，所有的从库都是和主库连接，所有的全量复制也都是和主库进行的。现在，我们可以通过“主 - 从 - 从”模式将主库生成 RDB 和传输 RDB 的压力，以级联的方式分散到从库上。
简单来说，我们在部署主从集群的时候，可以手动选择一个从库（比如选择内存资源配置较高的从库），用于级联其他的从库。然后，我们可以再选择一些从库（例如三分之一的从库），在这些从库上执行如下命令，让它们和刚才所选的从库，建立起主从关系。
replicaof 所选从库的IP 6379
这样一来，这些从库就会知道，在进行同步时，不用再和主库进行交互了，只要和级联的从库进行写操作同步就行了，这就可以减轻主库上的压力，如下图所示：
级联的“主-从-从”模式好了，到这里，我们了解了主从库间通过全量复制实现数据同步的过程，以及通过“主 - 从 - 从”模式分担主库压力的方式。那么，一旦主从库完成了全量复制，它们之间就会一直维护一个网络连接，主库会通过这个连接将后续陆续收到的命令操作再同步给从库，这个过程也称为基于长连接的命令传播，可以避免频繁建立连接的开销。
4. 读写分离及其中的问题
在主从复制基础上实现的读写分离，可以实现Redis的读负载均衡：由主节点提供写服务，由一个或多个从节点提供读服务（多个从节点既可以提高数据冗余程度，也可以最大化读负载能力）；在读负载较大的应用场景下，可以大大提高Redis服务器的并发量。下面介绍在使用Redis读写分离时，需要注意的问题。
4.1 延迟与不一致问题
前面已经讲到，由于主从复制的命令传播是异步的，延迟与数据的不一致不可避免。
如果应用对数据不一致的接受程度程度较低，可能的优化措施包括：
- 优化主从节点之间的网络环境（如在同机房部署）；
- 监控主从节点延迟（通过offset）判断，如果从节点延迟过大，通知应用不再通过该从节点读取数据；
- 使用集群同时扩展写负载和读负载等。
在命令传播阶段以外的其他情况下，从节点的数据不一致可能更加严重，例如连接在数据同步阶段，或从节点失去与主节点的连接时等。从节点的slave-serve-stale-data参数便与此有关：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。
对于分布式的场景，不一致是极有可能发生的。CAP 原理，在P 分区的情况下。C 一致性和 A高可用 只能二选一。如果数据强一致性，那么必然就没有高可用。然后高可用必然没有了一致性。我们只能保证做到最终一致性。减少延迟
4.2 数据过期问题（过期键的删除策略）
在单机版Redis中，存在两种删除策略：
惰性删除：服务器不会主动删除数据，只有当客户端查询某个数据时，服务器判断该数据是否过期，如果过期则删除。定期删除：服务器执行定时任务删除过期数据，但是考虑到内存和CPU的折中（删除会释放内存，但是频繁的删除操作对CPU不友好），该删除的频率和执行时间都受到了限制。
在主从复制场景下，为了主从节点的数据一致性，从节点不会主动删除数据，而是由主节点控制从节点中过期数据的删除。由于主节点的惰性删除和定期删除策略，都不能保证主节点及时对过期数据执行删除操作，因此，当客户端通过Redis从节点读取数据时，很容易读取到已经过期的数据。
Redis 3.2中，从节点在读取数据时，增加了对数据是否过期的判断：如果该数据已过期，则不返回给客户端；将Redis升级到3.2可以解决数据过期问题。
4.3 故障切换问题
在没有使用哨兵的读写分离场景下，应用针对读和写分别连接不同的Redis节点；当主节点或从节点出现问题而发生更改时，需要及时修改应用程序读写Redis数据的连接；连接的切换可以手动进行，或者自己写监控程序进行切换，但前者响应慢、容易出错，后者实现复杂，成本都不算低。
5. 总结
在使用读写分离之前，可以考虑其他方法增加Redis的读负载能力：如尽量优化主节点（减少慢查询、减少持久化等其他情况带来的阻塞等）提高负载能力；使用Redis集群同时提高读负载能力和写负载能力等。如果使用读写分离，可以使用哨兵，使主从节点的故障切换尽可能自动化，并减少对应用程序的侵入。