一、Redis主从复制

在分布式集群系统中为了解决服务单点故障问题，通常会把数据复制出多个副本部署到不同的机器中，满足故障恢复和负载均衡等需求。Redis也是如此，它为我们提供了复制功能，实现了相同数据的多个Redis副本。复制功能是高可用Redis的基础，Redis的哨兵和集群（Cluster）模式都是在主从复制模式的基础上实现的。

1.1、Redis主从结构

1、一主一从结构

一主一从结构是Redis最简单的复制拓扑结构，用于主节点出现宕机时从节点来提供故障转移支持。当应用写命令并发量较高且需要持久化时，可以只在从节点上开启AOF，这样既保证数据安全性同时，也避免了持久化对主节点的性能压力。

2、一主多从结构

一主多从结构（又称为星型拓扑结构）使得应用端可以利用多个从节点实现读写分离方案。对于读占比较大的场景，可以把读命令发送到多个从节点来分担主节点压力。同时在日常开发中如果需要执行一些比较耗时的读命令，可以在其中一台从节点上执行，防止慢查询对主节点造成阻塞从而影响线上服务的稳定性。对于写并发量较高的场景，多个从节点会导致主节点写命令的多次发送从而过度消耗网络带宽，同时也加重了主节点的负载影响服务稳定性。

3、树状主从结构

树状结构（级联结构）使得从节点不但可以复制主节点数据，同时可以作为其他从节点的主节点继续向下层复制。通过引入中间复制层，可以有效降低主节点负载和需要传送给从节点的数据量。当主节点需要挂载多个从节点时为了避免对主节点的性能干扰，可以采用树状主从结构降低主节点压力。

1.2、主从复制原理

从节点执行slaveof命令后，复制过程开始运作，大致分为6个过程。

1、保存主节点信息

执行slaveof命令后从节点只保存主节点的地址信息便直接返回，这时建立复制流程还没有开始，在从节点执行info replication命令可以看到主节点的相关信息，并在日志中记录复制启动信息。

2、主从建立socket连接

从节点内部通过每秒运行的定时任务维护复制相关逻辑，当定时任务发现存在新的主节点后，会尝试与该节点建立网络连接。 从节点会建立一个socket套接字连接，专门用于接收主节点发送的复制命令。如果从节点无法建立连接，定时任务会无限重试，直到连接成功或者执行slaveof no one命令取消复制。

3、发送ping命令

连接建立成功后，从节点发送ping请求进行首次通信，目的在于：检测主从之间网络套接字是否可用，检测主节点当前是否可接受处理命令。

如果发送ping命令后，从节点没有收到主节点回复pong或者超时未回复，从节点会断开复制连接，等待下次定时任务发起重连。

4、权限验证

如果主节点设置了requirepass参数，则需要密码验证，从节点必须配置masterauth参数保证与主节点相同的密码才能通过验证。如果验证失败复制将终止，从节点重新发起复制流程。

5、同步数据集

主从复制连接正常通信后，对于首次建立复制的场景，主节点会把所有的数据全部发送给从节点，这部分操作是耗时最长的步骤。在同步过程中会分为两种情况：全量同步和部分同步。

6、命令持续复制

当主节点把当前的数据同步给从节点后，便完成了复制建立的流程。接下来主节点会持续地把**写命令**发送给从节点，保证数据的一致性。

1.3、主从复制类型

Redis在2.8及以上版本使用psync命令完成主从数据同步，过程分为全量复制和部分复制。

1、全量复制

一般用于初次复制的场景，Redis早期支持的复制功能只有全量复制，他会把主节点全部数据一次性发送给从节点，当数据量较大时，会对主从节点和网络造成很大的开销。

全量复制流程说明：

1.  从节点发送psync命令给主节点，psync ? -1

2.  主节点根据命令解析出当前进行全量复制，回复+FULLRESYNC相应。

3.  从节点接收主节点的相应数据保存运行ID和偏移量offset。

4.  主节点执行bgsave保存RDB文件（持久化）到本地。

5.  主节点发送RDB文件给从节点，从节点把接收的RDB文件保存在本地并直接作为从节点的数据文件。

注意：对于数据量较大的主节点，生成的RDB文件超过6GB以上时要格外小心。如果传输时间超过repl-timeout所配置的值（默认60秒），从节点将放弃接受RDB文件并清理已经下载的临时文件，导致全量复制失败。

6.  从节点开始接收RDB文件到完成期间，主节点仍然响应读写命令，所以在RDB文件传输期间，主节点会将修改操作保存在缓冲区中。当从节点加载完RDB文件后，主节点再把缓冲区中的数据发送给从节点，保证数据一致。

注意：高流量写入场景可能会导致主节点复制客户端缓冲区溢出，默认配置为client-output-buffer-limit
slave 256MB 64MB
60，如果60秒内缓冲区消耗持续大于64MB或者直接超过256MB时，主节点将直接关闭复制客户端连接，造成复制失败。

对于主节点，当发送完所有的数据后就认为全量复制完成，但是对于从节点全量复制还有后续步骤要处理。

7.  从节点接收完主节点传送来的全部数据后，会清空自身旧数据。

8.  加载RDB文件。

9.  加载完毕后，如果当前节点开启了AOF持久化功能，会立刻进行bgrewriteaof操作，为了保证全量复制后AOF持久化文件可立刻可用。

2、部分复制

用于处理在主从复制中因网络闪断等原因造成的数据丢失场景，当从节点再次连上主节点后，如果条件允许，主节点会补发丢失数据给从节点。而补发的数据量远远小于全量数据，可以有效避免全量复制的过高开销。

部分复制流程说明：

1. 当主从网络断开，超过repl-timeout设置的时间，主会认为从故障而中断数据连接。

2. 连接中断期间，主节点依然会响应客户端命令，但无法发送给从节点，不过主节点内部存在复制加压缓冲区，所以可以保存最近一段时间的写命令数据，默认最大1MB。

3. 当网络恢复，从节点会重新连接到主节点。

4. 连接恢复后，从节点会将之前保存的自己已复制的偏移量和运行ID用psync命令发送给主节点，要求进行部分复制操作。

5. 主节点接到psync命令后，核对信息。之后根据offset在自身复制积压缓冲区查找，如果偏移量之后的数据存在缓冲区中，则对从节点发送+CONTINUE响应，表示可以进行部分复制。

6. 主节点根据偏移量把复制积压缓冲区里的数据发给从节点，保证主从复制进入正常状态。

3、异步复制

主节点不但负责数据读写，还负责把写命令同步给从节点，写命令的发送过程是异步完成，也就是说主节点处理完写命令后立即返回客户端，并不等待从节点复制完成。

1、主节点接受处理命令

2、主节点处理完后返回响应结果

3、对于修改命令，异步发送给从节点，从节点在主线程中执行复制的命令。

4、心跳

主从节点在建立复制后，他们之间维护着长连接并彼此发送心跳命令。

1、主从都有心跳检测机制，各自模拟成对方的客户端进行通信，通过 client list 命令查看复制相关客户端信息，主节点的连接状态为 flags = M，从节点的连接状态是 flags = S。

2、主节点默认每隔 10 秒对从节点发送 ping 命令，可修改配置repl-ping-slave-period 控制发送频率。

3、从节点在主线程每隔一秒发送 replconf ack{offset}命令，给主节点上报自身当前的复制偏移量。

4、主节点收到 replconf 信息后，判断从节点超时时间，如果超过repl-timeout 60 秒，则判断节点下线。

1.4、主从配置管理

1、建立复制

主从复制配置方式有三种

1、在配置文件中加入slaveof {masterHost} {masterPort}随Redis启动生效，CONFIG SET masterauth "your_master_password"配置密码

2、在redis-server启动命令后加入--slaveof {masterHost} {masterPort}

3、直接使用命令redis-cli -h IP slaveof {masterHost} {masterPort}生效。

2、断开复制

slaveof命令不但可以建立复制，也可以执行slaveof no one来断开与主节点复制关系。

3、安全性

主节点通常会设置requirepass参数进行密码验证，这时所有的客户端访问必须使用auth命令实行校验。因此需要在从节点配置masterauth参数与主节点密码保持一致。

4.只读

默认情况下，从节点使用slave-read-only=yes配置为只读模式。由于复制只能从主节点到从节点，对于从节点的任何修改主节点都是无法感知的，修改从节点会造成主从数据不一致。因此建议线上将从节点设置为只读模式。

5、传输延迟

主从节点一般在不同机器上，复制时的网络延迟就成为需要考虑的问题，Redis为我们提供了repl-disable-tcp-nodelay参数用于控制是否关闭TCP_NODELAY，默认为no，为开启状态。

设置为no时，表示开启TCP_NODELAY，允许小包发送，使得网络延迟变小，但是会增加网络带宽消耗。

设置为yes时，表示关闭TCP_NODELAY，主节点会将小包合并发送，默认发送时间间隔取决于Linux内核，一般为40ms。节省了带宽，但是增大了延迟。

二、Redis Sentinel哨兵机群

Redis Sentinel是Redis的高可用实现方案，在实际的生产环境中，对提高整个系统的高可用性是非常有帮助的。哨兵是一个分布式架构，其中包含若干个Sentinel节点和Redis数据节点，每个Sentinel节点都会对数据节点和其他Sentinel节点进行监控，当他发现节点不可达时，会对节点做下线标识。如果被标识的是主节点，他还会和其他Sentinel节点进行"协商"，当半数以上Sentinel节点都认为主节点不可达时，它们会选举出一个Sentinel节点来完成自动故障转移的工作，同时会将这个变化实时通知给Redis的应用方。整个过程是完全自动的，不需要人工来介入，所以这套方案很有效的解决了Redis的高可用问题。

2.1、三个定时监控任务

1、每隔10秒，每个Sentinel节点会向主节点和从节点发送info命令获取最新的拓扑结构，这个定时任务的作用具体可以表现在三个方面： 通过向主节点执行info命令，获取从节点的信息，这也是为什么Sentinel节点不需要显示配置监控从节点；当有新的从节点加入时都可以立刻感知出来；节点不可达或者故障转移后，可以通过info命令实时更新节点拓扑信息。

2、每隔2秒，每个Sentinel节点会向Redis数据节点的sentinel:hello频道上发送该Sentinel节点对于主节点的判断以及当前Sentinel节点的信息，同时每个Sentinel节点也会订阅该频道，来了解其他Sentinel节点以及它们对主节点的判断，所以这个定时任务可以完成以下两个工作： 发现新的Sentinel节点：通过订阅主节点的sentinel:hello了解其他的Sentinel节点信息，如果是新加入的Sentinel节点，将该Sentinel节点信息保存起来，并与该Sentinel节点创建连接；Sentinel节点之间交换主节点的状态，作为后面客观下线以及领导者选举的依据。

3、每隔1秒，每个Sentinel节点会向主节点、从节点、其余Sentinel节点发送一条ping命令做一次心跳检测，来确认这些节点当前是否可达。

2.2、主观下线

每个Sentinel节点会每隔1秒对主节点、从节点、其他Sentinel节点发送ping命令做心跳检测，当这个节点超过down-after-milliseconds时间没有进行有效回复，Sentinel节点就会对该节点做失败判定，这个判定行为叫做主观下线。存在误判断的可能。

2.3、客观下线

当Sentinel主观下线的节点是主节点时，该Sentinel节点会通过Sentinel is-master-down-by-addr命令向其他Sentinel节点询问对主节点的判断，当超过半数的Sentinel节点都认为主节点确实有问题，这时该Sentinel节点会做出客观下线的决定，这样客观下线的含义是比较明显了，也就是大部分Sentinel节点都对主节点的下线做了同意的判定，那么这个判定就是客观的。

2.4、领导者选举

故障转移的工作只需要一个Sentinel节点来完成即可，所以Sentinel节点之间会做一个领导者选举的工作，选出一个Sentinel节点作为领导者进行故障转移的工作。Redis使用了Raft算法实现领导者选举，大致思路如下：

1. 每个在线的Sentinel节点都有资格成为领导者，当他确认主节点主观下线时，会向其他Sentinel节点发送sentinel is-master-down-by-addr命令，要求将自己设置为领导者。

2. 收到命令的节点，如果没有同意过其他节点的请求，则会同意该请求，否则拒绝。

3. 如果某一个节点的票数已经大于等于max（quorum，num（sentinels）/2+1），那么它将成为领导者。

4. 如果此过程没有选举出领导者，将进入下一次选举。

2.5、故障转移

领导者选举出的Sentinel节点负责故障转移，具体步骤如下：

1. 在从节点列表中选出一个节点作为新的主节点，方法如下：

• 过滤："不健康"（主观下线、断线）、5秒内没有回复过Sentinel节点ping响应，与主节点失联超过down-after-milliseconds*10秒。

• 选择slave-priority（从优先级）最高的从节点列表，如果存在则返回，不存在则继续。

• 选择复制偏移量最大的从节点

• 选择runid最小的从节点

1. 领导者节点会对第一步选出来的从节点执行slaveof no one命令，使其成为新主

2. 领导者节点会向剩余的从节点发送命令，让他们成为新主的从节点

3. Sentinel节点集合会将原来的主节点更新为从节点并保持对其关注，当其恢复后命令它去复制新的主节点。