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), 如图15-1所示:
本文首先介绍 Redis 在 2.8 版本以前使用的旧版复制功能的实现原理, 并说明旧版复制功能在处理断线后重新连接的从服务器时, 会遇上怎样的低效情况。
接着, 本章将介绍 Redis 从 2.8 版本开始使用的新版复制功能是如何通过部分重同步来解决旧版复制功能的低效问题的, 并说明部分重同步的实现原理。
在此之后, 本章将列举 SLAVEOF 命令的具体实现步骤, 并在本文最后, 说明主从服务器心跳检测机制的实现原理, 并对基于心跳检测实现的几个功能进行介绍。
1. 旧版复制功能的实现
Redis 的复制功能分为同步 (sync) 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。
本节接下来将对同步和命令传播两个操作进行详细的介绍。
1.1 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:
- 从服务器向主服务器发送 SYNC 命令
- 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
- 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, 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 - 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。
图15-2展示了 SYNC 命令执行期间, 主从服务器的通信过程:
1.2 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: 主服务器会将自已执行的写命令, 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。
1.3 旧版复制功能缺陷
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:
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。
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。因为从服务器重连时依旧发送 SYNC 命令让主服务器发送 RDB 文件，但是 RDB 文件自从服务器断开之前的写命令对于重连的从服务器并不需要。对于从服务器来说，其只需要自断开后主服务所执行的写命令。
2. 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 resynchronization) 和部分重同步 (partialre synchronization) 两种模式:
- 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
- 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。
PSYNC 命令的部分重同步模式解决了旧版复制功能在处理断线后重复制时出现的低效情况。
图 15-6 展示了主从服务器在执行部分重同步时的通信过程。其中主服务向从服务器返回 +CONTINUE 回复, 表示执行部分重同步。
2.1 部分重同步的实现
部分重同步功能由以下三个部分构成:
主服务器的复制偏移量 (replication offset) 和从服务器的复制偏移量
主服务器的复制积压缓冲区 (replication backlog)
服务器的运行 ID (runID)
2.1.1 复制偏移量
执行复制的双方一一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, 将自己的复制偏移量的值加上N。
通过对比主从服务器的复制偏移量, 程序可以很容易地知道主从服务器是否处于一致状态:
- 如果主从服务器处于一致状态, 那么主从服务器两者的偏移量总是相同的。
- 相反, 如果主从服务器两者的偏移量并不相同, 那么说明主从服务器并未处于一致状态。
2.1.2 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和定长度 (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, 还会将写命令入写队到复制积压缓冲区里面, 如图15-10所示。
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:
- 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。
- 相反, 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。
2.1.3 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 (runID):
- 每个 Redis 服务器,不论主服务器还是从服务, 都会有自已的运行 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, 例如 53b9b28d9f8042fdc9ab5e3fcbbbabff1d5dce2b3。
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:
- 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。
- 相反地, 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。
2.2 复制的实现
2.2.1 步骤一：设置主服务的地址和端口
当客户端向从服务器发送以下命令时:
1 | 127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.16379 |
从服务器首先要做的就是将客户端给定的主服务器 IP 地址 127.0.0.1 以及端口 6379 保存到服务器状态的 masterhost 属性和 masterport 属性里面:
2.2.2 步骤二：建立套接字连接
在 SLAVEOF 命令执行之后, 从服务器将根据命令所设置的 IP 地址和端口, 创建连向主服务器的套接字连接, 如图 15-14 所示。
而主服务器在接受 (accept) 从服务器的套接字连接之后, 将为该套接字创建相应的客户端状态, 并将从服务器看作是一个连接到主服务器的客户端来对待, 这时从服务器将同时具有服务器 (server) 和客户端 (client) 两个身份: 从服务器可以向主服务器发送命令请求, 而主服务器则会向从服务器返回命令回复, 如图 15-15 所示。
2.2.3 步骤三：发送 PING 命令
从服务器成为主服务器的客户端之后, 做的第一件事就是向主服务器发送一个 PING 命令, 如图 15-16 所示。
这个PING命令有两个作用:
虽然主从服务器成功建立起了套接字连接, 但双方并未使用该套接字进行过任何通信, 通过发送 PING 命令可以检查套接字的读写状态是否正常。
因为复制工作接下来的几个步骤都必须在主服务器可以正常处理命令请求的状态下才能进行, 通过发送 PING 命令可以检查主服务器能否正常处理命令请求。
流程图 15-17 总结了从服务器在发送 PING 命令时可能遇到的情况, 以及各个情况的处理方式。
2.2.4 步骤四：身份验证
从服务器在收到主服务器返回的 “PONG“ 回复之后, 下一步要做的就是决定是否进行身份验证:
如果从服务器设置了 masterauth 选项, 那么进行身份验证。
如果从服务器没有设置 masterauth 选项, 那么不进行身份验证。
在需要进行身份验证的情况下, 从服务器将向主服务器发送一条 AUTH 命令, 命令的参数为从服务器 masterauth 选项的值。流程图15-19 总结了从服务器在身份验证阶段可能遇到的情况,以及各个情况的处理方式。
2.2.5 步骤五：发送端口信息
在身份验证步骤之后, 从服务器将执行命令 REPLCONF listening-port <port-number>, 向主服务器发送从服务器的监听端口号。例如在我们的例子中, 从服务器的监听端口为 12345, 那么从服务器将向主服务器发送命令 REPLCONF listening-port 12345, 如图15-20所示。
主服务器在接收到这个命令之后, 会将端口号记录在从服务器所对应的客户端状态的 slave_listening_port 属性中:
slave_listening_port 属性目前唯一的作用就是在主服务器执行 INFO replication 命令时打印出从服务器的端口号。
2.2.6 步骤六：同步
在这一步, 从服务器将向主服务器发送 PSYNC 命令, 执行同步操作, 并将自己的数据库更新至主服务器数据库当前所处的状态。在同步操作执行之后, 主从服务器双方都是对方的客户端,它们可以互相向对方发送命令请求、或者互相向对方返回命令回复, 如图15-22 所示。正因为主服务器成为了从服务器的客户端, 所以主服务器才可以通过发送写命令来改变从服务器的数据库状态, 不仅同步操作需要用到这一点, 这也是主服务器对从服务器执行命令传播的基础。
2.2.7 步骤七：命令传播
当完成了同步之后, 主从服务器就会进人命令传播阶段, 这时主服务器只要一直将自己执行的写命令发送给从服务器, 而从服务器只要一直接收并执行主服务器发来的写命令,就
可以保证主从服务器一直保持一致了。以上就是 Redis 2.8 或以上版本的复制功能的实现步骤。
2.3 心跳检测
在命令传播阶段, 从服务器默认会以每秒一次的频率, 向主服务器发送命令: REPLCONF ACK
其中 replication_offset 是从服务器当前的复制偏移量。发送 REPLCONF ACK 命令对于主从服务器有三个作用:
- 检测主从服务器的网络连接状态。
- 辅助实现 min-slaves 选项。
- 检测命令丢失。
以下三个小节将分别介绍这三个作用。
2.3.1 检测主从服务器的网络连接状态
主从服务器可以通过发送和接收 REPLCONF ACK
2.3.2 辅助实现 min-slaves 选项
Redis 的 min-slaves-to-write 和 min-slaves-max-lag 两个选项可以防止主服务器在不安全的情况下执行写命令。
举个例子, 如果我们向主服务器提供以下设置:
min-slaves-to-write 3
min-slaves-max-lag 10
那么在从服务器的数量少于3个, 或者三个从服务器的延迟 (lag) 值都大于或等于10秒时, 主服务器将拒绝执行写命令
2.3.3 检测命令丢失
如果因为网络故障, 主服务器传播给从服务器的写命令在半路丢失, 那么当从服务器向主服务器发送 REPLCONF ACK