Redis的同步机制

前言

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另一个服务器，我们称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)。

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,从服务器接收并载人这个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。

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层不变的，每当主服务器执行客服端发送的写命令时，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。

1.3 旧版复制功能的缺陷

在Redis 2.8以前，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，从服务器需要让主服务器将所有执行的写命令的RDB文件，从新发送给从服务器。但主从服务器断开的时间可能很短，主服务器在断线期间执行的写命令可能很少，而执行少量写命令所产生的数据量通常比整个数据库的数据量要少得多,在这种情况下,为了让从服务器补足一小部分缺失的数据,却要让主从服务器重新执行一次SYNC命令,这种做法无疑是非常低效的。

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:

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。

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。

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。

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E( partial resynchronization)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。

2.1 部分重同步的实现

在了解了PSYNC命令的由来，以及部分重同步的工作方式之后，是时候来介绍一下部分重同步的实现细节了。

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 (run ID )。

以下三个小节将分别介绍这三个部分。

2.2 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。

比如主服务器和从服务器（A，B，C）的复制偏移量的值都为10086。

如果这时主服务器向三个从服务器传播长度为33字节的数据，那么主服务器的复制偏移量将更新为10086+33-10119，而三个从服务器在接收到主服务器传播的数据之后,也会将复制偏移量更新为10119 。

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。

考虑以下这个例子：假设主从服务器当前的复制偏移量都为10086，但是就在主服务器要向从服务器传播长度为33字节的数据之前，从服务器A断线了，那么主服务器传播的数据将只有从服务器B和从服务器C能收到，在这之后，主服务器、从服务器B和从服务器C三个服务器的复制偏移量都将更新为10119，而断线的从服务器A的复制偏移量仍然停留在10086,这说明从服务器A与主服务器并不一致。

假设从服务器A在断线之后就立即重新连接主服务器，并且成功,那么接下来，从服务器将向主服务器发送PSYNC命令，报告从服务器A当前的复制偏移量为10086，那么这时，主服务器应该对从服务器执行完整重同步还是部分重同步呢？如果执行部分重同步的话，主服务器又如何补偿从服务器A在断线期间丢失的那部分数据呢？以上问题的答案都和复制积压缓冲区有关。

2.3 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人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：

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。

2.4 服务器运行ID

除了复制偏移量和复制积压穿冲区之外，实现部分重同步还需要用到服务器运行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1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。

3 参考资料

黄健宏著《Redis设计与实现》第15章

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