詳解Redis主從復制原理

文章首發於公眾號 “蘑菇睡不着”

前言

Redis 的主從復制和 MySQL 差不多，主要起着 數據備份，讀寫分離等作用。所以說主從復制對 Redis 來說非常重要，而無論是面試還是工作總，了解 Redis主從復制 底層實現有非常有必要，那么接下來就和大家來看看 Redis 主從復制是怎么實現的吧。

什么是 Redis 主從復制？

  在 Redis 中，我們可以通過 SLAVEOF 命令或者 slaveof 選項，讓一個服務器去復制另一個服務器，被復制的服務器稱為“主服務器”，發起復制的服務器稱為“從服務器”，由兩種服務器組成的模式稱為“主從復制”。

  Redis 主從復制有以下特點：

• Redis 使用異步復制，slave 和 master 之間異步地確認處理的數據量。
• 一個 master 可以擁有多個 slave。
• slave 可以接受其他 slave 的連接。除了多個 slave 可以連接到同一個 master 之外， slave 之間也可以像層疊狀的結構（cascading-like structure）連接到其他 slave 。自 Redis 4.0 起，所有的 sub-slave 將會從 master 收到完全一樣的復制流。
• Redis 復制在 master 側是非阻塞的。這意味着 master 在一個或多個 slave 進行初次同步或者是部分重同步時，可以繼續處理查詢請求。
• 復制在 slave 側大部分也是非阻塞的。當然這個是可配的，如果在 redis.conf配置是非阻塞的，可以使用舊數據集處理查詢請求；如果配置的是阻塞的，slave 會返回一個 error 給客戶端。

怎么實現主從復制？

假設現在有兩個 Redis 服務器，地址分別為 127.0.0.1:6379 和 127.0.0.1:12345,如果在服務器 127.0.0.1:12345 執行以下命令：

127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.1 6379
OK

那么服務器127.0.0.1:12345就是127.0.0.1:6379 的從服務器。主從服務器的數據會保持一致
比如主服務器存儲數據：

127.0.0.1:6379> set msg "hello world"
OK

然后從服務器就能直接獲取數據：

127.0.0.1:12345>get msg
"hello world"

刪除數據也是一樣，主從會保持一致。

主從復制原理

首先，Redis 的復制分為同步(sync)和命令傳播(command propagate)兩個操作：

• 同步操作用於將從服務器數據庫的狀態更新為主服務器所處的狀態。
• 命令傳播則相反，它主要作用在主服務器的數據庫狀態更改時，導致主從服務器的數據庫狀態出現不一致時，讓主從回到一致的的過程。

接下來詳細說說這兩種復制。

同步

文字解說：

1. 客戶端向從服務器發送 SLAVEOF 命令，先是判斷是否是第一次復制，第一次是復制一般是剛開始組建主從關系。
2. 是第一次復制：從服務器會向主服務器發送 PSYNC ？ -1 命令，請求主服務器執行完整重同步操作。
3. 主服務器接到完整重同步請求之后，將在后台執行 BGSAVE 命令，在后台生成一個 RDB 文件，並使用一個復制積壓緩沖區記錄從現在開始執行的所有寫命令。
4. BGSAVE 命令執行完畢之后，主服務器會將 RDB 文件以及 緩沖區中記錄的寫命令發送給從服務器，還會向從服務器返回 +FULLRESYNC [主服務器ID] [復制偏移量]（和圖中的 偏移量 是一個）。
5. 從服務器接收到后，會載入 RDB 文件，並執行 主服務器給的 寫命令，以此來達到和主服務器一致的數據狀態。
6. 如果不是第一次復制，那么說明從服務器可能是斷線，導致和主服務器數據狀態不一致，需要同步主服務器的數據。那么從服務器會按照下面的步驟來請求部分同步。
7. 向主服務器發送 PSYNC [主服務器ID] [復制偏移量]（這個是第一次復制時主服務器傳過來的），主服務器ID 時斷線前的主服務器，用於定位去同步那個主服務器的；復制偏移量是上一次同步的位置，用於定位具體的同步位置的。
8. 主服務器接收到從服務器的命令后，並找到相應同步的位置后，會給從服務器發送 +CONTINUE 命令，表示將於從服務器執行部分同步操作，之后主服務器會將保存在復制積壓緩沖區對應 復制偏移量之后的所有數據發送給從服務器，但是如果找不到偏移量之后的數據，就會進行完整同步，這樣就可以讓從服務器達到和主服務器一致的狀態。

命令傳播

主從服務器同步成功后，並不會一致保持這個狀態，主服務器可能會執行寫命令，這也主從數據就不知一致了。
為了處理這種問題，主服務器會把自己執行的寫命令發送給從服務器，當從服務器執行完這些命令之后，主從服務器的數據就一致了。

在命令傳播階段，從服務器默認會以每秒一次的頻率，向主服務器發送命令：
REPLCONF ACK <replication_offset>
<replication_offset> 是從服務器當前的復制偏移量。
發送 REPLCONF ACK 命令對於主從服務器有三個作用：

• 檢測主從服務器的網絡狀態。
• 輔助實現 min-slaves 選項。
• 檢測命令丟失。

關鍵詞講解

1. 主服務器ID：用於標識一個服務器。

• 每個服務器，無論是主服務器還是從服務器都有屬於自己獨一無二的 服務器ID。
• ID 在服務器啟動時生成，由 40 個隨機的十六進制字符組成。

2. 復制積壓緩沖區：復制積壓緩沖區是由主服務器維護的一個固定長度、先進先出（FIFO）隊列，默認大小為 1MB。如下：

偏移量	...	10086	10087	10088	10089	...
字節值	...	3	'\r'	'\n'	'$'	...

總結

Redis 主從復制主要是通過 PSYNC 命令實現。
復制分為 部分復制 以及 完整復制。
部分復制通過 復制偏移量、復制積壓緩沖區、服務器ID來實現。
完整復制通過 RDB 以及 復制積壓緩沖區來實現。
主從復制主要解決的是 數據備份、讀寫分離的問題。

最后

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