Redis 复制原理及特性

摘要

早期的RDBMS被设计为运行在单个CPU之上，读写操作都由经单个数据库实例完成，复制技术使得数据库的读写操作可以分散在运行于不同CPU之上的独立服务器上，Redis作为一个开源的、优秀的key-value缓存及持久化存储解决方案，也提供了复制功能，本文主要介绍Redis的复制原理及特性。

Redis复制概论

数据库复制指的是发生在不同数据库实例之间，单向的信息传播的行为，通常由被复制方和复制方组成，被复制方和复制方之间建立网络连接，复制方式通常为被复制方主动将数据发送到复制方，复制方接收到数据存储在当前实例，最终目的是为了保证双方的数据一致、同步。

复制示意图

Redis复制方式

Redis的复制方式有两种，一种是主（master）-从（slave）模式，一种是从（slave）-从（slave）模式，因此Redis的复制拓扑图会丰富一些，可以像星型拓扑，也可以像个有向无环：

Redis集群复制结构图

通过配置多个Redis实例独立运行、定向复制，形成Redis集群，master负责写、slave负责读。

复制优点

通过配置多个Redis实例，数据备份在不同的实例上，主库专注写请求，从库负责读请求，这样的好处主要体现在下面几个方面：

1、高可用性

在一个Redis集群中，如果master宕机，slave可以介入并取代master的位置，因此对于整个Redis服务来说不至于提供不了服务，这样使得整个Redis服务足够安全。

2、高性能

在一个Redis集群中，master负责写请求，slave负责读请求，这么做一方面通过将读请求分散到其他机器从而大大减少了master服务器的压力，另一方面slave专注于提供读服务从而提高了响应和读取速度。

3、水平扩展性

通过增加slave机器可以横向（水平）扩展Redis服务的整个查询服务的能力。

复制缺点

复制提供了高可用性的解决方案，但同时引入了分布式计算的复杂度问题，认为有两个核心问题：

1. 数据一致性问题，如何保证master服务器写入的数据能够及时同步到slave机器上。
2. 编程复杂，如何在客户端提供读写分离的实现方案，通过客户端实现将读写请求分别路由到master和slave实例上。

上面两个问题，尤其是第一个问题是Redis服务实现一直在演变，致力于解决的一个问题。

复制实时性和数据一致性矛盾

Redis提供了提高数据一致性的解决方案，本文后面会进行介绍，一致性程度的增加虽然使得我能够更信任数据，但是更好的一致性方案通常伴随着性能的损失，从而减少了吞吐量和服务能力。然而我们希望系统的性能达到最优，则必须要牺牲一致性的程度，因此Redis的复制实时性和数据一致性是存在矛盾的。

Redis复制原理及特性

slave指向master

举个例子，我们有四台redis实例，M1，R1、R2、R3，其中M1为master，R1、R2、R3分别为三台slave redis实例。在M1启动如下：

./redis-server ../redis8000.conf --port 8000

下面分别为R1、R2、R3的启动命令：

./redis-server ../redis8001.conf --port 8001 --slaveof 127.0.0.1 8000
./redis-server ../redis8002.conf --port 8002 --slaveof 127.0.0.1 8000
./redis-server ../redis8003.conf --port 8003 --slaveof 127.0.0.1 8000

这样，我们就成功的启动了四台Redis实例，master实例的服务端口为8000，R1、R2、R3的服务端口分别为8001、8002、8003，集群图如下：

Redis集群复制拓扑

上面的命令在slave启动的时候就指定了master机器，我们也可以在slave运行的时候通过slaveof命令来指定master机器。

复制过程

Redis复制主要由SYNC命令实现，复制过程如下图：

Redis复制过程

上图为Redis复制工作过程：

1. slave向master发送sync命令。
2. master开启子进程来讲dataset写入rdb文件，同时将子进程完成之前接收到的写命令缓存起来。
3. 子进程写完，父进程得知，开始将RDB文件发送给slave。
4. master发送完RDB文件，将缓存的命令也发给slave。
5. master增量的把写命令发给slave。

值得注意的是，当slave跟master的连接断开时，slave可以自动的重新连接master，在redis2.8版本之前，每当slave进程挂掉重新连接master的时候都会开始新的一轮全量复制。如果master同时接收到多个slave的同步请求，则master只需要备份一次RDB文件。

增量复制

上面复制过程介绍的最后提到，slave和master断开了、当slave和master重新连接上之后需要全量复制，这个策略是很不友好的，从Redis2.8开始，Redis提供了增量复制的机制：

增量复制机制

master除了备份RDB文件之外还会维护者一个环形队列，以及环形队列的写索引和slave同步的全局offset，环形队列用于存储最新的操作数据，当slave和maste断开重连之后，会把slave维护的offset，也就是上一次同步到哪里的这个值告诉master，同时会告诉master上次和当前slave连接的master的runid，满足下面两个条件，Redis不会全量复制：

1. slave传递的run id和master的run id一致。
2. master在环形队列上可以找到对应offset的值。

满足上面两个条件，Redis就不会全量复制，这样的好处是大大的提高的性能，不做无效的功。

增量复制是由psync命令实现的，slave可以通过psync命令来让Redis进行增量复制，当然最终是否能够增量复制取决于环形队列的大小和slave的断线时间长短和重连的这个master是否是之前的master。

环形队列大小配置参数：

repl-backlog-size 1mb

Redis同时也提供了当没有slave需要同步的时候，多久可以释放环形队列：

repl-backlog-ttl 3600

免持久化复制

免持久化机制官方叫做Diskless Replication，前面基于RDB文件写磁盘的方式可以看出，Redis必须要先将RDB文件写入磁盘，才进行网络传输，那么为什么不能直接通过网络把RDB文件传送给slave呢？免持久化复制就是做这个事情的，而且在Redis2.8.18版本开始支持，当然目前还是实验阶段。

值得注意的是，一旦基于Diskless Replication的复制传送开始，新的slave请求需要等待这次传输完毕才能够得到服务。

是否开启Diskless Replication的开关配置为：

repo-diskless-sync no

为了让后续的slave能够尽量赶上本次复制，Redis提供了一个参数配置指定复制开始的时间延迟：

repl-diskless-sync-delay 5

slave只读模式

自从Redis2.6版本开始，支持对slave的只读模式的配置，默认对slave的配置也是只读。只读模式的slave将会拒绝客户端的写请求，从而避免因为从slave写入而导致的数据不一致问题。

半同步复制

和MySQL复制策略有点类似，Redis复制本身是异步的，但也提供了半同步的复制策略，半同步复制策略在Redis复制中的语义是这样的：

允许用户给出这样的配置：在maste接受写操作的时候，只有当一定时间间隔内，至少有N台slave在线，否则写入无效。

上面功能的实现基于Redis下面特性：

1. Redis slaves每秒钟会ping一次master，告诉master当前slave复制到哪里了。
2. Redis master会记住每个slave复制到哪里了。

我们可以通过下面配置来指定时间间隔和N这个值：

min-slaves-to-write <number of slaves>
min-slaves-max-lag <number of seconds>

如果：

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，这里的延迟值就是上面提到的INFO replication命令的lag值。

当配置了上面两个参数之后，一旦对于一个写操作没有满足上面的两个条件，则master会报错，并且将本次写操作视为无效。这有点像CAP理论中的“C”，即一致性实现，虽然半同步策略不能够完全保证master和slave的数据一致性，但是相对减少了不一致性的窗口期。

总结

本文在理解Redis复制概念和复制的优缺点的基础之上介绍了当前Redis复制工作原理以及主要特性，希望能够帮助大家。

原文链接：https://my.oschina.net/andylucc/blog/683631