【愚公系列】2023年04月 Java教学课程 127-Redis的主从复制

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一、主从复制

1.主从复制简介

1.1 高可用

首先我们要理解互联网应用因为其独有的特性我们演化出的三高架构

• 高并发

  应用要提供某一业务要能支持很多客户端同时访问的能力，我们称为并发，高并发意思就很明确了

• 高性能

  性能带给我们最直观的感受就是：速度快，时间短

• 高可用

可用性：一年中应用服务正常运行的时间占全年时间的百分比，如下图：表示了应用服务在全年宕机的时间

我们把这些时间加在一起就是全年应用服务不可用的时间，然后我们可以得到应用服务全年可用的时间

4小时27分15秒+11分36秒+2分16秒=4小时41分7秒=16867秒

1年=3652460*60=31536000秒

可用性=（31536000-16867）/31536000*100%=99.9465151%

业界可用性目标5个9，即99.999%，即服务器年宕机时长低于315秒，约5.25分钟

1.2 主从复制概念

知道了三高的概念之后，我们想：你的“Redis”是否高可用？那我们要来分析单机redis的风险与问题

问题1.机器故障

• 现象：硬盘故障、系统崩溃
• 本质：数据丢失，很可能对业务造成灾难性打击
• 结论：基本上会放弃使用redis.

问题2.容量瓶颈

• 现象：内存不足，从16G升级到64G，从64G升级到128G，无限升级内存
• 本质：穷，硬件条件跟不上
• 结论：放弃使用redis

结论：

为了避免单点Redis服务器故障，准备多台服务器，互相连通。将数据复制多个副本保存在不同的服务器上，连接在一起，并保证数据是同步的。即使有其中一台服务器宕机，其他服务器依然可以继续提供服务，实现Redis的高可用，同时实现数据冗余备份。

多台服务器连接方案：

• 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（master的数据复制到slave中）

这里我们可以来解释主从复制的概念：

概念：主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到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和slave各自的职责不一样

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）

1.3 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

2.主从复制工作流程

主从复制过程大体可以分为3个阶段

• 建立连接阶段（即准备阶段）
• 数据同步阶段
• 命令传播阶段（反复同步）

而命令的传播其实有4种，分别如下：

2.1 主从复制的工作流程（三个阶段）

2.1.1 阶段一：建立连接

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

流程如下：

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

至此，主从连接成功！

当前状态：

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

master和slave互联

接下来就要通过某种方式将master和slave连接到一起

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（主流方式）

slaveof masterip masterport

slave系统信息

master_link_down_since_seconds
masterhost & masterport

master系统信息

uslave_listening_port(多个)

主从断开连接

断开slave与master的连接，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

slaveof no one

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

2.1.2 阶段二：数据同步

• 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

同步过程如下：

1. 步骤1：请求同步数据
2. 步骤2：创建RDB同步数据
3. 步骤3：恢复RDB同步数据
4. 步骤4：请求部分同步数据
5. 步骤5：恢复部分同步数据

至此，数据同步工作完成！

当前状态：

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

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 ?mb

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

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

2.1.3 阶段三：命令传播

• 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

这里我们主要来看部分复制，部分复制的三个核心要素

1. 服务器的运行 id（run id）
2. 主服务器的复制积压缓冲区
3. 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
	复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M
	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
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

复制缓冲区内部工作原理：

组成

• 偏移量

  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）

  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

  数据来源：

  • master端：发送一次记录一次
  • slave端：接收一次记录一次

• 字节值

工作原理

• 通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
• master记录已发送的信息对应的offset
• slave记录已接收的信息对应的offset

2.2 流程更新(全量复制/部分复制)

我们再次的总结一下主从复制的三个阶段的工作流程：

2.3 心跳机制

什么是心跳机制？

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：

• 内部指令：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

• 内部指令：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

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8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

至此：我们可以总结出完整的主从复制流程：

3.主从复制常见问题

3.1 频繁的全量复制

• 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

repl-id  repl-offset

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

master_repl_id=repl  master_repl_offset =repl-offset

通过info命令可以查看该信息

作用：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

• 第二种出现频繁全量复制的问题现象：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 ?mb

建议设置如下：

1.测算从master到slave的重连平均时长second

2.获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second

3.最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

3.2 频繁的网络中断

• 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REPLCONFACK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 seconds

该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave

• 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 seconds

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

3.3 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）