redis之主从复制实现原理

大耗子 2021年01月23日 50次浏览

主从复制

  • redis为了实现⾼可⽤(⽐如解决单点故障的问题),会把数据复制多个副本部署到其他节点上,通过复制,实现Redis的⾼可⽤性,实现对数据的冗余备份,保证数据和服务的可靠性。
  • 在Redis中, 用户可以通过执行SLAVEOF命令或者设置slaveof选项, 让一个服务器去复制(replicate) 另一个服务器, 我们称呼被复制的服务器为主服务器(master) , 而对主服务器进行复制的服务器则被称为从服务器(slave)。
  • 通过使用slaveof [ip] [port] 即可设置从服务器。

主从复制的作⽤
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。
读写分离:可以⽤于实现读写分离,主库写、从库读,读写分离不仅可以提⾼服务器的负载能⼒,同时可根据需求的变化,改变从库的数量;
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。

旧版复制功能的实现

  • Redis的复制功能分为同步(sy nc) 和命令传播(command propagate) 两个操作:

    同步操作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。
    命令传播操作则用于在主服务器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重新回到一致状态。

全量数据同步

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, 也即是, 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主服务器发送SYNC命令来完成, 以下是SYNC命令的执行步骤:

  1. 从服务器向主服务器发送SYNC命令。
  2. 收到SYNC命令的主服务器执行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, 主服务器会将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,清除掉⾃⼰的旧数据,然后将RDB载⼊内存,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所处的状态。
    主从复制过程
  • 全量数据同步具体流程
    旧版redis同步流程

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, 但这种一致并不是一成不变的, 每当主服务器执行客户端发送的写命令时, 主服务器的数据库就有可能会被修改, 并导致主从服务器状态不再一致。
  • 为了让主从服务器再次回到一致状态, 主服务器需要对从服务器执行命令传播操作: 主服务器会将自己执行的写命令, 也即是造成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, 主从服务器将再次回到一致状态。

旧版复制的缺陷

  • 在Redis中, 从服务器对主服务器的复制可以分为以下两种情况:
    1. 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一次复制的主服务器不同。
    2. 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上了主服务器, 并继续复制主服务器。
  • 对于初次复制来说, 旧版复制功能能够很好地完成任务, 但对于断线后重复制来说, 旧版复制功能虽然也能让主从服务器重新回到一致状态, 但效率却非常低。

SYNC命令是一个非常耗费资源的操作

每次执行SYNC命令, 主从服务器需要执行以下动作:

  1. 主服务器需要执行BGSAVE命令来生成RDB文件, 这个生成操作会耗费主服务器大量的CPU、 内存和磁盘I/O资源。
  2. 主服务器需要将自己生成的RDB文件发送给从服务器, 这个发送操作会耗费主从服务器大量的网络资源(带宽和流量) , 并对主服务器响应命令请求的时间产生影响。
  3. 接收到RDB文件的从服务器需要载入主服务器发来的RDB文件, 并且在载入期间, 从服务器会因为阻塞而没办法处理命令请求。因为SYNC命令是一个如此耗费资源的操作, 所以Redis有必要保证在真正有需要时才执行SYNC命令。

新版复制功能的实现

  • 为了解决旧版复制功能在处理断线重复制情况时的低效问题, Redis从2.8版本开始, 使用PSYNC命令代替SYNC命令来执行复制时的同步操作。
  • PSYNC命令具有完整重同步(full resy nchronization) 和部分重同步(partialresynchronization) 两种模式:
    1. 其中完整重同步用于处理初次复制情况: 完整重同步的执行步骤和SYNC命令的执行步骤基本一样, 它们都是通过让主服务器创建并发送RDB文件, 以及向从服务器发送保存在缓冲区里面的写命令来进行同步。
    2. 而部分重同步则用于处理断线后重复制情况: 当从服务器在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。

增量同步的原因

为什么在Master上新增的数据除了根据Master节点上RDB或者AOF的设置进⾏⽇志⽂件更新外,还会同时将数据变化写⼊⼀个环形内存结构(replication backlog),并以后者为依据进⾏Slave节点的增量更新呢?主要原因有以下⼏个:

  1. 由于⽹络环境的不稳定,⽹络抖动/延迟都可能造成Slave和Master暂时断开连接,这种情况要远远多于新的Slave连接到Master的情况。如果以上所有情况都使⽤全量更新,就会⼤⼤增加Master的负载压⼒——写RDB⽂件是有⼤量I/O过程的,虽然Linux Page Cache特性会减少性能消耗。
  2. 在数据量达到⼀定规模的情况下,使⽤全量更新进⾏和Slave的第⼀次同步是⼀个不得已的选择——因为要尽快减少Slave节点和Master节点的数据差异。所以只能占⽤Master节点的资源和⽹络带宽资源。
  3. 使⽤内存记录数据增量操作,可以有效减少Master节点在这⽅⾯付出的I/O代价。⽽做成环形内存的原因,是为了保证在满⾜数据记录需求的情况下尽可能减少内存的占⽤量。这个环形内存的⼤⼩,可以通过repl-backlog-size参数进⾏设置。

部分同步(增量同步)的实现

  • 在部分同步的时候,会通过复制偏移量计算需要从哪里的数据开始复制,但是这个也不是无限制的,它会通过一个复制积压缓冲区的的东西去判断是否允许这个复制操作。如果复制偏移量不在这个复制积压缓冲区中,那么这个复制操作就不会被允许,不执行部分同步,执行完全同步。
  • 部分重同步功能由以下三个部分构成:
    1. 主服务器的复制偏移量(replication offset) 和从服务器的复制偏移量。
    2. 主服务器的复制积压缓冲区(replication backlog) 。
    3. 服务器的运行ID(run ID) 。
      增量同步流程

复制偏移量

执行复制的双方(主服务器和从服务器)会分别维护一个复制偏移量:

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

复制积压缓冲区

  • 复制积压缓冲区是由主服务器维护的一个固定长度(fixed-size) 先进先出(FIFO) 队列, 默认大小为1MB。
  • 当主服务器进行命令传播时, 它不仅会将写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里面,因此主服务器的复制积压缓冲区里面会保存着一部分最近传播的写命令, 并且复制积压缓冲区会为队列中的每个字节记录相应的复制偏移量。
  • 当从服务器重新连上主服务器时, 从服务器会通过PSYNC命令将自己的复制偏移量offset发送给主服务器, 主服务器会根据这个复制偏移量来决定对从服务器执行何种同步操作:
  1. 如果offset偏移量之后的数据(也即是偏移量offset+1开始的数据) 仍然存在于复制积压缓冲区里面, 那么主服务器将对从服务器执行部分重同步操作。
  2. 如果offset偏移量之后的数据已经不存在于复制积压缓冲区, 那么主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

复制积压缓冲区的大小的设定

  • 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) 。

  • 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。

服务器运行ID

  • 除了复制偏移量和复制积压缓冲区之外, 实现部分重同步还需要用到服务器运行ID(run ID) :
  • 每个Redis服务器, 不论主服务器还是从服务, 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,而从服务器则会将这个运行ID保存起来。当从服务器断线并重新连上一个主服务器时, 从服务器将向当前连接的主服务器发送之前保存的运行ID。此时有两种情况:
    1. 如果从服务器保存的运行ID和当前连接的主服务器的运行ID相同, 那么说明从服务器断线之前复制的就是当前连接的这个主服务器, 主服务器可以继续尝试执行部分重同步操作。
    2. 如果从服务器保存的运行ID和当前连接的主服务器的运行ID并不相同, 那么说明从服务器断线之前复制的主服务器并不是当前连接的这个主服务器, 主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。