Redis 主从复制

我要满血复活

已于 2025-02-17 17:25:11 修改

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分类专栏： Redis 文章标签： redis 数据库缓存

于 2025-02-17 17:22:36 首次发布

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概念

在分布式系统中为了解决单点问题，通常会把数据复制多个副本部署到其他服务器，满⾜故障恢复和负载均衡等需求。Redis 也是如此，它提供了复制的功能，实现了相同数据的多个 Redis 副本，通过一个主节点（master）和多个从节点（replica）来实现数据的冗余备份和读写分离。以下为主从复制的作用

数据冗余备份：从节点可以复制主节点的数据，当主节点发生故障时，从节点可以接管服务，保证系统的高可用性。
读写分离：主节点负责写操作，从节点负责读操作，通过分摊读请求，可以提高系统的读写性能。

配置

建立复制

参与复制的 Redis 实例划分为主节点（master）和从节点（slave）。每个从结点只能有⼀个主节点，⽽⼀个主节点可以同时具有多个从结点。复制的数据流是单向的，只能由主节点到从节点。配置复制的⽅式有以下三种：

在配置⽂件中加⼊ slaveof {masterHost} {masterPort} 随 Redis 启动⽣效。
在 redis-server 启动命令时加⼊ --slaveof {masterHost} {masterPort} ⽣效。
直接使⽤ redis 命令：slaveof {masterHost} {masterPort} ⽣效。

接下来，我们将 /etc/redis/redis.conf 配置⽂件复制⼀份 slave1.conf，并且修改其端口 port 为未使用的端口，如 6380，daemonize 为 yes，保证其能在后台运行。

接下来，在 slave1.conf 配置⽂件中加⼊ slaveof 如下，默认启动的 redis 作为主 Redis：

slaveof 127.0.0.1 6379

而后启动从服务器

redis-server slave1.conf

通过以下命令确保两个 Redis 均已正确启动。

 netstat -anp | head -2;netstat -anp | grep redis-server

可以看到 6379 和 6380 的 redis-server 均已启动。

通过 redis-cli 可以连接主 Redis 实例，通过 redis-cli -p 6380 连接从 Redis，并且观察复制关系。

#主节点
127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> get hello
"world"

#从节点
127.0.0.1:6380> get hello
"world"

从运⾏结果中看到复制已经⼯作了，针对主节点 6379 的任何修改都可以同步到从节点 6380 中。

可以通过 info replication 命令查看复制相关状态。

#主节点
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
#当前连接到主节点的从节点（replica）数量
connected_slaves:1 
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=856,lag=0
#主节点的复制 ID（replication ID）
master_replid:43b2e4e224d9a0fc787ab6f249b85a8491ef249f 
#主节点的第二个复制 ID，用于部分同步机制。当主节点的复制积压缓冲
#区中的数据不足以满足从节点的同步需求时，主节点会切换到新的复制 ID。
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
#主节点当前的复制偏移量，主节点记录写操作的偏移量，从节点根据偏移量来同步数据。
master_repl_offset:856
second_repl_offset:-1
#表示复制积压缓冲区是否激活。复制积压缓冲区用于存储主节点的写操作，以便从节点
可以进行部分同步。
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:856

#从节点
127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379
master_link_status:up
master_last_io_seconds_ago:6
master_sync_in_progress:0
slave_repl_offset:884
slave_priority:100
slave_read_only:1
connected_slaves:0
master_replid:43b2e4e224d9a0fc787ab6f249b85a8491ef249f
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:884
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:884

断开复制

slaveof 命令不但可以建⽴复制，还可以在从节点执⾏ slaveof no one 来断开与主节点复制关系。

例如在 6380 节点上执⾏ slaveof no one 来断开复制。

断开复制主要流程：

断开与主节点复制关系。
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。通过 slaveof 命令还可以实现切主操作，将当前从节点的数据源切换到另⼀个主节点。执⾏ slaveof {newMasterIp} {newMasterPort} 命令即可。

切主操作主要流程：

断开与旧主节点复制关系。
与新主节点建⽴复制关系。
删除从节点当前所有数据。
从新主节点进⾏复制操作。

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，这时所有的客⼾

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⼾端来完成，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。

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。所以建议线上不要修改从节点的只读模式。

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，默认为 no，即开启 tcp

nodelay 功能，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的场景，如跨机房部署。

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。

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，如下图

所⽰。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，这样既可以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，如果主节点宕机要避免⾃动重启操作，因为此时主节点没有 aof 文件，自动重启就会丢失数据，这时就需要主节点先从从节点获取 aof 文件再重启。

⼀主多从结构

⼀主多从结构（星形结构）使得应⽤端可以利⽤多个从节点实现读写分离，如下图所⽰。对于读⽐重较⼤的场景，可以把读命令负载均衡到不同的从节点上来分担压⼒。同时⼀些耗时的读命令可以指定⼀台专⻔的从节点执⾏，避免破坏整体的稳定性。但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同步给从节点从⽽加重主节点的负载。

树形主从结构

树形主从结构（分层结构）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需要传送给从节点的数据量，如图所⽰。数据写⼊节点 A 之后会同步给 B 和 C 节点，B 节点进⼀步把数据同步给 D 和 E 节点。当主节点需要挂载等多个从节点时为了避免对主节点的性能⼲扰，可以采⽤这种拓扑结构，但这样会。

原理

复制过程如图所⽰，下⾯详细介绍建⽴复制的完整流程。从图中可以看出复制过程⼤致分为 6 个过程：

保存主节点（master）的信息。开始配置主从同步关系之后，从节点只保存主节点的地址信息，此时建⽴复制流程还没有开始，在从节点 6380 执⾏ info replication 可以看到如下信息：

master_host: 127.0.0.1
master_port: 6379
master_link_status: down

从统计信息可以看出主节点的 ip 和 port 被保存下来，但是主节点连接状态（master_link_status）是下线状态。

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，会尝试与主节点建⽴基于 TCP 的⽹络连接。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⽤⼾停⽌主从复制。
发送 ping 命令。连接建⽴成功之后，从节点通过 ping 命令确认主节点在应⽤层上是⼯作良好的。如果 ping 命令的结果 pong 回复超时，从节点会断开 TCP 连接，等待定时任务下次重新建⽴连接。
权限验证。如果主节点设置了 requirepass 参数，则需密码验证，从节点通过配置 masterauth参数来设置密码。如果验证失败，则从节点的复制将会停⽌。
同步数据集。对于⾸次建⽴复制的场景，主节点会把当前持有的所有数据全部发送给从节点，这步操作基本是耗时最⻓的，所以⼜划分称两种情况：全量同步和部分同步。
命令持续复制。当从节点复制了主节点的所有数据之后，针对之后的修改命令，主节点会持续的把命令发送给从节点，从节点执⾏修改命令，保证主从数据的⼀致性。

数据同步 psync

Redis 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，主节点会补发数据给从节点。因为补发的数据远⼩于全量数据，可以有效避免全量复制的过⾼开销。

PSYNC 的语法格式

PSYNC replicationid offset

如果 replicationid 设为 ? 并且 offset 设为 -1 此时就是在尝试进⾏全量复制。
如果 replicationid offset 设为了具体的数值, 则是尝试进⾏部分复制。

replicationid/replid (复制id)

主节点的复制 id。主节点重新启动, 或者从节点晋级成主节点, 都会⽣成⼀个 replicationid(同⼀个节点, 每次重启, ⽣成的 replicationid 也会变化)。从节点在和主节点建⽴连接之后, 就会获取到主节点的 replicationid。

通过 info replication 即可看到 replicationid：

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:0
master_replid:1da596acecf5a34b4b2aae45bd35be785691ae69
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:0
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:0
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:0
repl_backlog_histlen:0

关于 master_replid 和 master_replid2，每个节点需要记录两组 master_replid，这个设定解决的问题场景是这样的：⽐如当前有两个节点 A 和 B, A 为 master, B 为 slave。此时 B 就会记录 A 的 master_replid，如果⽹络抖动, B 以为 A 挂了, B ⾃⼰就会成为主节点. 于是 B 给⾃⼰分配了新的 master_replid。此时就会使⽤ master_replid2 来保存之前 A 的 master_replid。后续如果⽹络恢复了, B 就可以根据 master_replid2 找回之前的主节点；后续如果⽹络没有恢复, B 就按照新的 master_replid ⾃成⼀派, 继续处理后续的数据。

offset (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，会把命令的字节⻓度做累加记录，统计信息在 info replication 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
...

从节点在接受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 replication 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。

psync 运行流程

从节点发送 psync 命令给主节点，replid 和 offset 的默认值分别是 ? 和 -1.
主节点根据 psync 参数和⾃⾝数据情况决定响应结果：

如果回复 +FULLRESYNC replid offset，则从节点需要进⾏全量复制流程。
如果回复 +CONTINEU，从节点进⾏部分复制流程。
如果回复 -ERR，说明 Redis 主节点版本过低，不⽀持 psync 命令。从节点可以使⽤ sync 命令进⾏全量复制。

psync ⼀般不需要⼿动执⾏，Redis 会在主从复制模式下⾃动调⽤执⾏。

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。全量复制的运⾏流程如图所⽰。

从节点发送 psync 命令给主节点进⾏数据同步，由于是第⼀次进⾏复制，从节点没有主节点的运⾏ ID 和复制偏移量，所以发送 psync ? -1。
主节点根据命令，解析出要进⾏全量复制，回复 +FULLRESYNC 响应。
从节点接收主节点的运⾏信息进⾏保存。
主节点执⾏ bgsave 进⾏ RDB ⽂件的持久化。
从节点发送 RDB ⽂件给从节点，从节点保存 RDB 数据到本地硬盘。
主节点将从⽣成 RDB 到接收完成期间执⾏的写命令，写⼊缓冲区中，等从节点保存完 RDB ⽂件后，主节点再将缓冲区内的数据补发给从节点，补发的数据仍然按照 rdb 的⼆进制格式追加写⼊到收到的 rdb ⽂件中，保持主从⼀致性。
从节点清空⾃⾝原有旧数据。
从节点加载 RDB ⽂件得到与主节点⼀致的数据。
如果从节点加载 RDB 完成之后，并且开启了 AOF 持久化功能，它会进⾏ bgrewrite 操作，得到最近的 AOF ⽂件。

通过分析全量复制的所有流程，我们会发现全量复制是⼀件⾼成本的操作：主节点 bgsave 的时间，RDB 在⽹络传输的时间，从节点清空旧数据的时间，从节点加载 RDB 的时间等。所以⼀般应该尽可能避免对已经有⼤量数据集的 Redis 进⾏全量复制。

默认情况下, 进⾏全量复制需要主节点⽣成 RDB ⽂件到主节点的磁盘中, 再把磁盘上的 RDB ⽂件通过发送给从节点。不过Redis 从 2.8.18 版本开始⽀持⽆磁盘复制. 主节点在执⾏ RDB ⽣成流程时, 不会⽣成 RDB ⽂件到磁盘中了, ⽽是直接把⽣成的 RDB 数据通过⽹络发送给从节点. 这样就节省了⼀系列的写硬盘和读硬盘的操作开销。

部分复制

部分复制主要是 Redis 针对全量复制的过⾼开销做出的⼀种优化措施，使⽤ psync replicationId

offset 命令实现。当从节点正在复制主节点时，如果出现⽹络闪断或者命令丢失等异常情况时，从节点会向主节点要求补发丢失的命令数据，如果主节点的复制积压缓冲区存在数据则直接发送给从节点，这样就可以保持主从节点复制的⼀致性。补发的这部分数据⼀般远远⼩于全量数据，所以开销很⼩。

当主从节点之间出现⽹络中断时，如果超过 repl-timeout 时间，主节点会认为从节点故障并终端复制连接。
主从连接中断期间主节点依然响应命令，但这些复制命令都因⽹络中断⽆法及时发送给从节点，所以暂时将这些命令滞留在复制积压缓冲区中。
当主从节点⽹络恢复后，从节点再次连上主节点。
从节点将之前保存的 replicationId 和复制偏移量作为 psync 的参数发送给主节点，请求进⾏部分复制。
主节点接到 psync 请求后，进⾏必要的验证。随后根据 offset 去复制积压缓冲区查找合适的数据，并响应 +CONTINUE 给从节点。
主节点将需要从节点同步的数据发送给从节点，最终完成⼀致性。

复制积压缓冲区是保存在主节点上的⼀个固定⻓度的队列，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，如图所⽰。

由于缓冲区本质上是先进先出的定⻓队列，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可以通过主节点的 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 // 缓冲区最⼤⻓度
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 // 已保存数据的有效⻓度

根据统计指标，可算出复制积压缓冲区内的可⽤偏移量范围：[repl_backlog_first_byte_offset,

repl_backlog_first_byte_offset + repl_backlog_histlen]。但如果当前从节点需要的数据, 已经超出了主节点的积压缓冲区的范围, 则⽆法进⾏部分复制, 只能全量复制了。

实时复制

主从节点在建⽴复制连接后，主节点会把⾃⼰收到的修改操作 , 通过 tcp ⻓连接的⽅式, 源源不断的传输给从节点. 从节点就会根据这些请求来同时修改⾃⾝的数据. 从⽽保持和主节点数据的⼀致性。另外, 这样的⻓连接需要通过⼼跳包的⽅式来维护连接状态。(这⾥的⼼跳是指应⽤层⾃⼰实现的⼼跳，⽽不是 TCP ⾃带的⼼跳).

1）主从节点彼此都有⼼跳检测机制，各⾃模拟成对⽅的客⼾端进⾏通信。

2）主节点默认每隔 10 秒对从节点发送 ping 命令，判断从节点的存活性和连接状态。

3）从节点默认每隔 1 秒向主节点发送 replconf ack {offset} 命令，给主节点上报⾃⾝当前的复制偏移量。

如果主节点发现从节点通信延迟超过 repl-timeout 配置的值（默认 60 秒），则判定从节点下线，断开复制客⼾端连接。从节点恢复连接后，⼼跳机制继续进⾏。