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前言

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，满足故障恢复和负载均衡等需求。哨兵和集群都是在复制的基础上实现高可用的。

1.配置

1.1建立复制

参与复制的Redis实例划分为主节点（master）和从节点（slave）。默认情况下，Redis都是主节点。每个从节点只能有一个主节点，而主节点可以同时具有多个从节点。复制的数据流是单向的，只能由主节点复制到从节点。配置复制的方式有以下三种：
1）在配置文件中加入slaveof{masterHost}{masterPort}随Redis启动生效。
2）在redis-server启动命令后加入–slaveof{masterHost}{masterPort}生效。
3）直接使用命令：slaveof{masterHost}{masterPort}生效。slaveof配置都是在从节点发起。
slaveof命令在使用时，可以运行期动态配置，也可以提前写到配置文件中。
slaveof本身是异步命令，执行slaveof命令时，节点只保存主节点信息后返回，后续复制流程在节点内部异步执行，主从节点复制成功建立后，可以使用info replication命令查看复制相关状态。

1.2断开复制

在从节点执行slaveof no one来断开与主节点复制关系。
断开复制主要流程：
1）断开与主节点复制关系。
2）从节点晋升为主节点。
从节点断开复制后并不会抛弃原有数据，只是无法再获取主节点上的数据变化。
切主：通过slaveof命令还可以实现切主操作，所谓切主是指把当前从节点对主节点的复制切换到另一个主节点。执行slaveof{newMasterIp}{newMasterPort}命令即可。
切主操作流程如下：
1）断开与旧主节点复制关系。
2）与新主节点建立复制关系。
3）删除从节点当前所有数据。
4）对新主节点进行复制操作。
运维提示：切主后从节点会清空之前所有的数据，线上人工操作时小心slaveof在错误的节点上执行或者指向错误的主节点。

1.3 安全性

对于数据比较重要的节点，主节点会通过设置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。从节点与主节点的复制连接是通过一个特殊标识的客户端来完成，因此需要配置从节点的masterauth参数与主节点密码保持一致，这样从节点才可以正确地连接到主节点并发起复制流程。

1.4 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无法感知，修改从节点会造成主从数据不一致。因此建议线上不要修改从节点的只读模式。

1.5 传输延迟

主从节点一般部署在不同机器上，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，默认关闭，说明如下：

• 当关闭时，主节点产生的命令数据无论大小都会及时地发送给从节点，这样主从之间延迟会变小，但增加了网络带宽的消耗。适用于主从之间的网络环境良好的场景，如同机架或同机房部署。
• 当开启时，主节点会合并较小的TCP数据包从而节省带宽。默认发送时间间隔取决于Linux的内核，一般默认为40毫秒。这种配置节省了带宽但增大主从之间的延迟。适用于主从网络环境复杂或带宽紧张的场景，如跨机房部署。
  运维提示：部署主从节点时需要考虑网络延迟、带宽使用率、防灾级别等因素，如要求低延迟时，建议同机架或同机房部署并关闭repl-disable-tcp-nodelay；如果考虑高容灾性，可以同城跨机房部署并开启repl-disable-tcp-nodelay。

2. 拓扑

Redis的复制拓扑结构可以支持单层或多层复制关系，根据拓扑复杂性可以分为以下三种：一主一从、一主多从、树状主从结构。

2.1.一主一从结构

一主一从结构是最简单的复制拓扑结构，用于主节点出现宕机时从节点提供故障转移支持。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干扰。但需要注意的是，当主节点关闭持久化功能时，如果主节点脱机要避免自动重启操作。因为主节点之前没有开启持久化功能自动重启后数据集为空，这时从节点如果继续复制主节点会导致从节点数据也被清空的情况，丧失了持久化的意义。安全的做法是在从节点上执行
slaveof no one断开与主节点的复制关系，再重启主节点从而避免这一问题。

2.2.一主多从结构

一主多从结构（又称为星形拓扑结构）使得应用端可以利用多个从节点实现读写分离。对于读占比较大的场景，可以把读命令发送到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，如：keys、sort等，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。

2.3.树状主从结构

树状主从结构（又称为树状拓扑结构）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。通过引入复制中间层，可以有效降低主节点负载和需要传送给从节点的数据量。数据实现了一层一层的向下复制。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。

3.原理

3.1复制过程

在从节点执行slaveof命令后，复制过程便开始运作，下面详细介绍建立复制的完整流程
1）保存主节点（master）信息。执行slaveof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。
2）从节点（slave）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，如图从节点建立了一个端口为24555的套接字，专门用于接受主节点发送的复制命令。

从节点连接成功后打印如下日志：

* Connecting to MASTER 127.0.0.1:6379
* MASTER <-> SLAVE sync started

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取消复制，如图6-9所示。

关于连接失败，可以在从节点执行info replication查看master_link_down_since_seconds指标，它会记录与主节点连接失败的系统时间。从节点连接主节点失败时也会每秒打印如下日志，方便运维人员发现问题：

# Error condition on socket for SYNC: {socket_error_reason}

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，ping请求主要目的如下：

• 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的pong回复或者超时，比如网络超时或者主节点正在阻塞无法响应命令，从节点会断开复制连接，下次定时任务会发起重连
  
  从节点发送的ping命令成功返回，Redis打印如下日志，并继续后续复制流程：

Master replied to PING, replication can continue...

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，主节点会把持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。Redis在2.8版本以后采用新复制命令psync进行数据同步，原来的sync命令依然支持，保证新旧版本的兼容性。新版同步划分两种情况：全量同步和部分同步，下一节将重点介绍。
6）命令持续复制。当主节点把当前的数据同步给从节点后，便完成了复制的建立流程。接下来主节点会持续地把写命令发送给从节点，保证主从数据一致性。

3.2数据同步

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

• 全量复制：一般用于初次复制场景，Redis早期支持的复制功能只有全量复制，它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。
• 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。因为补发的数据远远小于全量数据，可以有效避免全量复制的过高开销。
  部分复制是对老版复制的重大优化，有效避免了不必要的全量复制操作。因此当使用复制功能时，尽量采用2.8以上版本的Redis。
  psync命令运行需要以下组件支持：
• 主从节点各自复制偏移量。
• 主节点复制积压缓冲区。
• 主节点运行id。
  1.复制偏移量
  参与复制的主从节点都会维护自身复制偏移量。主节点（master）在处理完写入命令后，会把命令的字节长度做累加记录，统计信息在inforelication中的master_repl_offset指标中：

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
...
master_repl_offset:1055130

从节点（slave）每秒钟上报自身的复制偏移量给主节点，因此主节点也会保存从节点的复制偏移量，统计指标如下：

127.0.0.1:6379> info replication
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=1055214,lag=1
...

从节点在接收到主节点发送的命令后，也会累加记录自身的偏移量。统计信息在info relication中的slave_repl_offset指标中：

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
...
slave_repl_offset:1055214

复制偏移量的维护如下图所示。

通过对比主从节点的复制偏移量，可以判断主从节点数据是否一致。
运维提示：可以通过主节点的统计信息，计算出master_repl_offset-slave_offset字节量，判断主从节点复制相差的数据量，根据这个差值判定当前复制的健康度。如果主从之间复制偏移量相差较大，则可能是网络延迟或命令阻塞等原因引起。
2.复制积压缓冲区：复制积压缓冲区是保存在主节点上的一个固定长度的队列，默认大小为1MB，当主节点有连接的从节点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写入复制积压缓冲区。

由于缓冲区本质上是先进先出的定长队列，所以能实现保存最近已复制数据的功能，用于部分复制和复制命令丢失的数据补救。复制缓冲区相关统计信息保存在主节点的info replication中：

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
...
repl_backlog_active:1 // 开启复制缓冲区
repl_backlog_size:1048576 // 缓冲区最大长度
repl_backlog_first_byte_offset:7479 // 起始偏移量，计算当前缓冲区可用范围
repl_backlog_histlen:1048576 // 已保存数据的有效长度

3.主节点运行ID
每个Redis节点启动后都会动态分配一个40位的十六进制字符串作为运行ID。运行ID的主要作用是用来唯一识别Redis节点，比如从节点保存主节点的运行ID识别自己正在复制的是哪个主节点。如果只使用ip+port的方式识别主节点，那么主节点重启变更了整体数据集（如替换RDB/AOF文件），从节点再基于偏移量复制数据将是不安全的，因此当运行ID变化后从节点将做全量复制。可以运行info server命令查看当前节点的运行ID：

127.0.0.1:6379> info server
# Server
redis_version:3.0.7
...
run_id:545f7c76183d0798a327591395b030000ee6def9

需要注意的是Redis关闭再启动后，运行ID会随之改变。

# redis-cli -p 6379 info server | grep run_id
run_id:545f7c76183d0798a327591395b030000ee6def9
# redis-cli -p shutdown
# redis-server redis-6379.conf
# redis-cli -p 6379 info server | grep run_id
run_id:2b2ec5f49f752f35c2b2da4d05775b5b3aaa57ca

如何在不改变运行ID的情况下重启呢？
当需要调优一些内存相关配置，例如：hash-max-ziplist-value等，这些配置需要Redis重新加载才能优化已存在的数据，这时可以使用debug reload命令重新加载RDB并保持运行ID不变，从而有效避免不必要的全量复制。命令如下：

# redis-cli -p 6379 info server | grep run_id
run_id:2b2ec5f49f752f35c2b2da4d05775b5b3aaa57ca
# redis-cli debug reload
OK
# redis-cli -p 6379 info server | grep run_id
run_id:2b2ec5f49f752f35c2b2da4d05775b5b3aaa57ca

运维提示：debug reload命令会阻塞当前Redis节点主线程，阻塞期间会生成本地RDB快照并清空数据之后再加载RDB文件。因此对于大数据量的主节点和无法容忍阻塞的应用场景，谨慎使用。
4.psync命令
从节点使用psync命令完成部分复制和全量复制功能，命令格式：psync{runId}{offset}，参数含义如下：

• runId：从节点所复制主节点的运行id。
• offset：当前从节点已复制的数据偏移量。
  psync命令运行流程如图6-13所示。
  
  流程说明：
  1）从节点（slave）发送psync命令给主节点，参数runId是当前从节点保存的主节点运行ID，如果没有则默认值为，参数offset是当前从节点保存的复制偏移量，如果是第一次参与复制则默认值为-1。
  2）主节点（master）根据psync参数和自身数据情况决定响应结果：
• 如果回复+FULLRESYNC{runId}{offset}，那么从节点将触发全量复制流程。
• 如果回复+CONTINUE，从节点将触发部分复制流程。
• 如果回复+ERR，说明主节点版本低于Redis2.8，无法识别psync命令，从节点将发送旧版的sync命令触发全量复制流程。

3.3全量复制

全量复制是Redis最早支持的复制方式，也是主从第一次建立复制时必须经历的阶段。触发全量复制的命令是sync和psync。

流程说明：
1）发送psync命令进行数据同步，由于是第一次进行复制，从节点没有复制偏移量和主节点的运行ID，所以发送psync-1。
2）主节点根据psync-1解析出当前为全量复制，回复+FULLRESYNC响应。
3）从节点接收主节点的响应数据保存运行ID和偏移量offset，执行到当前步骤时从节点打印如下日
志：

Partial resynchronization not possible (no cached master)
Full resync from master: 92d1cb14ff7ba97816216f7beb839efe036775b2:216789