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4.Redis主从复制

Redis主从复制​

Redis支持主从复制，其中一个节点是主节点，其余是从节点。主节点的数据会被异步复制到从节点，从节点可以用于读取或在主节点故障时提升为主节点。

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  • 提供数据方：master
    • 主服务器，主节点，主库
    • 主客户端
  • 接收数据方：slave
    • 从服务器，从节点，从库
    • 从客户端
  • 需要解决的问题：
    • 数据同步
  • 核心工作：
    • master的数据复制到slave中
  • 特征：
    • 一个master可以拥有多个slave，一个slave只对应一个master
  • 职责：
    • master:
      • 写数据
      • 执行写操作时，将出现变化的数据自动同步到slave
      • 读数据（可忽略）
    • slave:
      • 读数据
      • 写数据（禁止）

主从复制的作用​

  • 读写分离：master写、slave读，提高服务器的读写负载能力
  • 负载均衡：基于主从结构，配合读写分离，由slave分担master负载，并根据需求的变化，改变slave的数量，通过多个从节点分担数据读取负载，大大提高Redis服务器并发量与数据吞吐量
  • 故障恢复：当master出现问题时，由slave提供服务，实现快速的故障恢复
  • 数据冗余：实现数据热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式
  • 高可用基石：基于主从复制，构建哨兵模式与集群，实现Redis的高可用方案

主从复制工作流程​

主从复制过程大体可以分为3个阶段

  1. 建立连接阶段（即准备阶段）
  2. 数据同步阶段
  3. 命令传播阶段

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阶段一：建立连接阶段​

建立连接阶段工作流程​

建立slave到master的连接，使master能够识别slave，并保存slave端口号

步骤1：设置master的地址和端口，保存master信息 步骤2：建立socket连接 步骤3：发送ping命令（定时器任务） 步骤4：身份验证 步骤5：发送slave端口信息 至此，主从连接成功！

状态：

  • slave： 保存master的地址与端口
  • master：保存slave的端口
  • 总体：之间创建了连接的socket

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主从连接（slave连接master）​

方式一：客户端发送命令

slaveof <masterip> <masterport>

方式二：启动服务器参数

redis-server -slaveof <masterip> <masterport>

方式三：服务器配置

slaveof <masterip> <masterport>

slave系统信息

  • master_link_down_since_seconds
  • masterhost
  • masterport

master系统信息

  • slave_listening_port(多个)

主从断开连接​

客户端发送命令

slaveof no one

slave断开连接后，不会删除已有数据，只是不再接受master发送的数据

授权访问​

master客户端发送命令设置密码

requirepass <password>

master配置文件设置密码

config set requirepass <password>
config get requirepass

slave客户端发送命令设置密码

auth <password>

slave配置文件设置密码

masterauth <password>

slave启动服务器设置密码

redis-server –a <password>

阶段二：数据同步阶段工作流程​

  • 在slave初次连接master后，复制master中的所有数据到slave
  • 将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

数据同步阶段工作流程​

步骤1：请求同步数据 步骤2：创建RDB同步数据 步骤3：恢复RDB同步数据 步骤4：请求部分同步数据 步骤5：恢复部分同步数据 至此，数据同步工作完成！

状态：

slave：具有master端全部数据，包含RDB过程接收的数据

master：保存slave当前数据同步的位置

总体：之间完成了数据克隆

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数据同步阶段master说明​

  1. 如果master数据量巨大，数据同步阶段应避开流量高峰期，避免造成master阻塞，影响业务正常执行

  2. 复制缓冲区大小设定不合理，会导致数据溢出。如进行全量复制周期太长，进行部分复制时发现数据已经存在丢失的情况，必须进行第二次全量复制，致使slave陷入死循环状态。

    repl-backlog-size 1mb

  3. master单机内存占用主机内存的比例不应过大，建议使用50%-70%的内存，留下30%-50%的内存用于执行bgsave命令和创建复制缓冲区

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数据同步阶段slave说明​

  1. 为避免slave进行全量复制、部分复制时服务器响应阻塞或数据不同步，建议关闭此期间的对外服务

    slave-serve-stale-data yes|no

  2. 数据同步阶段，master发送给slave信息可以理解master是slave的一个客户端，主动向slave发送命令

  3. 多个slave同时对master请求数据同步，master发送的RDB文件增多，会对带宽造成巨大冲击，如果master带宽不足，因此数据同步需要根据业务需求，适量错峰

  4. slave过多时，建议调整拓扑结构，由一主多从结构变为树状结构，中间的节点既是master，也是slave。注意使用树状结构时，由于层级深度，导致深度越高的slave与最顶层master间数据同步延迟较大，数据一致性变差，应谨慎选择

阶段三：命令传播阶段​

  • 当master数据库状态被修改后，导致主从服务器数据库状态不一致，此时需要让主从数据同步到一致的状态，同步的动作称为命令传播
  • master将接收到的数据变更命令发送给slave，slave接收命令后执行命令

命令传播阶段的部分复制​

命令传播阶段出现了断网现象

  • 网络闪断闪连 忽略
  • 短时间网络中断 部分复制
  • 长时间网络中断 全量复制

部分复制的三个核心要素

  • 服务器的运行 id（run id）
  • 主服务器的复制积压缓冲区
  • 主从服务器的复制偏移量

服务器运行ID（runid）​

  • 概念：服务器运行ID是每一台服务器每次运行的身份识别码，一台服务器多次运行可以生成多个运行id
  • 组成：运行id由40位字符组成，是一个随机的十六进制字符
    • 例如：fdc9ff13b9bbaab28db42b3d50f852bb5e3fcdce
  • 作用：运行id被用于在服务器间进行传输，识别身份
    • 如果想两次操作均对同一台服务器进行，必须每次操作携带对应的运行id，用于对方识别
  • 实现方式：运行id在每台服务器启动时自动生成的，master在首次连接slave时，会将自己的运行ID发送给slave，slave保存此ID，通过info Server命令，可以查看节点的runid

复制缓冲区​

概念：复制缓冲区，又名复制积压缓冲区，是一个先进先出（FIFO）的队列，用于存储服务器执行过的命令，每次传播命令，master都会将传播的命令记录下来，并存储在复制缓冲区

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复制缓冲区内部工作原理​

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复制缓冲区​

  • 概念：复制缓冲区，又名复制积压缓冲区，是一个先进先出（FIFO）的队列，用于存储服务器执行过的命令，每次传播命令，master都会将传播的命令记录下来，并存储在复制缓冲区
    • 复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M，由于存储空间大小是固定的，当入队元素的数量大于队列长度时，最先入队的元素会被弹出，而新元素会被放入队列
  • 由来：每台服务器启动时，如果开启有AOF或被连接成为master节点，即创建复制缓冲区
  • 作用：用于保存master收到的所有指令（仅影响数据变更的指令，例如set，select
  • 数据来源：当master接收到主客户端的指令时，除了将指令执行，会将该指令存储到缓冲区中

主从服务器复制偏移量（offset）​

  • 概念：一个数字，描述复制缓冲区中的指令字节位置
  • 分类：
    • master复制偏移量：记录发送给所有slave的指令字节对应的位置（多个）
    • slave复制偏移量：记录slave接收master发送过来的指令字节对应的位置（一个）
  • 数据来源：
    • master端：发送一次记录一次
    • slave端：接收一次记录一次
  • 作用：同步信息，比对master与slave的差异，当slave断线后，恢复数据使用

数据同步+命令传播阶段工作流程​

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心跳机制​

  • 进入命令传播阶段候，master与slave间需要进行信息交换，使用心跳机制进行维护，实现双方连接保持在线
  • master心跳：
    • 指令：PING
    • 周期：由repl-ping-slave-period决定，默认10秒
    • 作用：判断slave是否在线
    • 查询：INFO replication 获取slave最后一次连接时间间隔，lag项维持在0或1视为正常
  • slave心跳任务
    • 指令：REPLCONF ACK {offset}
    • 周期：1秒
    • 作用1：汇报slave自己的复制偏移量，获取最新的数据变更指令
    • 作用2：判断master是否在线

心跳阶段注意事项​

当slave多数掉线，或延迟过高时，master为保障数据稳定性，将拒绝所有信息同步操作

min-slaves-to-write 2
min-slaves-max-lag 8

slave数量少于2个，或者所有slave的延迟都大于等于10秒时，强制关闭master写功能，停止数据同步

  • slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认
  • slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

主从复制工作流程（完整）​

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主从复制常见问题​

频繁的全量复制（1）​

伴随着系统的运行，master的数据量会越来越大，一旦master重启，runid将发生变化，会导致全部slave的全量复制操作。

内部优化调整方案：

  1. master内部创建master_replid变量，使用runid相同的策略生成，长度41位，并发送给所有slave
  2. 在master关闭时执行命令 shutdown save，进行RDB持久化,将runid与offset保存到RDB文件中
    1. repl-id repl-offset
    2. 通过redis-check-rdb命令可以查看该信息
  3. master重启后加载RDB文件，恢复数据，重启后，将RDB文件中保存的repl-id与repl-offset加载到内存中
    1. master_repl_id = repl master_repl_offset = repl-offset
    2. 通过info命令可以查看该信息

本机保存上次runid，重启后恢复该值，使所有slave认为还是之前的master

频繁的全量复制（2）​

  • 问题现象：网络环境不佳，出现网络中断，slave不提供服务

  • 问题原因：复制缓冲区过小，断网后slave的offset越界，触发全量复制

  • 最终结果：slave反复进行全量复制

  • 解决方案：修改复制缓冲区大小

    repl-backlog-size

  • 建议设置如下：

    • 测算从master到slave的重连平均时长second
    • 获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
    • 最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

频繁的网络中断（1）​

  • 问题现象：master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接
  • 问题原因：
    • slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
    • 当slave接到了慢查询时（keys * ，hgetall等），会大量占用CPU性能
    • master每1秒调用复制定时函数replicationCron()，比对slave发现长时间没有进行响应
  • 最终结果：
    • master各种资源（输出缓冲区、带宽、连接等）被严重占用
  • 解决方案：

    • 通过设置合理的超时时间，确认是否释放slave

      repl-timeout

    • 该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave

频繁的网络中断（2）​

  • 问题现象：slave与master连接断开
  • 问题原因：
    • master发送ping指令频度较低
    • master设定超时时间较短
    • ping指令在网络中存在丢包
  • 解决方案：

    • 提高ping指令发送的频度

      repl-ping-slave-period

    • 超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5到10倍，否则slave很容易判定超时

数据不一致​

  • 问题现象：多个slave获取相同数据不同步
  • 问题原因：网络信息不同步，数据发送有延迟
  • 解决方案：

    • 优化主从间的网络环境，通常放置在同一个机房部署，如使用阿里云等云服务器时要注意此现象

    • 监控主从节点延迟（通过offset）判断，如果slave延迟过大，暂时屏蔽程序对该slave的数据访问

      slave-serve-stale-data yes|no

    • 开启后仅响应info、slaveof等少数命令（慎用，除非对数据一致性要求很高）