【Redis】Redis高级:主从

Redis高级:主从

由于Redis是单线程的,因此其拥有很强的并发能力,但是单节点的Redis并发能力始终还是有上限的,如果需要进一步提高Redis的并发能力,就需要搭建主从集群,实现读写分离。

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在Redis主从集群中,一般提供一台主节点负责Redis的写操作,提供多台从节点负责Redis的读操作。之所以这样布局,是因为Redis通常情况下面对的读数据的压力要远远大于写数据

1 搭建主从架构

接下来我们会在同一台虚拟机中开启3个redis实例(包括1个主节点,2个从节点。)来模拟主从集群,这些实例的信息分别如下:

IP PORT 角色
192.168.211.100 7001 master
192.168.211.100 7002 slave
192.168.211.100 7003 slave

1.1 准备实例和配置

要在同一台虚拟机开启3个实例,必须准备三份不同的配置文件和目录,配置文件所在目录也就是工作目录。

我的Redis的安装目录是在 /usr/local/redis-6.2.6,在接下来的操作中会以这个目录为例进行演示

0)取消redis密码认证

首先很重要的一件事(笔者在这里踩了不少坑),我们需要取消redis的密码认证,不然后续操作会出现很多问题。修改redis安装目录下的redis.conf文件,将其中的requirepass 密码这一行配置给注释掉,然后重启redis服务

1)创建目录

首先创建三个文件夹,名字分别叫7001、7002、7003:

# 进入/usr/local目录
cd /usr/local
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003

如图所示:

在这里插入图片描述

2)恢复原始配置

如果之前修改过 redis-6.2.4/redis.conf 文件中的持久化模式,则需要将持久化模式修改成默认的RDB模式,AOF保持关闭状态。如果并未修改过可以跳过这一步

# 开启RDB
# save ""
save 3600 1
save 300 100
save 60 10000

# 关闭AOF
appendonly no

3)拷贝配置文件到每个实例目录

将 redis-6.2.6/redis.conf 文件拷贝到三个目录中(在/local目录执行下列命令):

# 方式一:逐个拷贝
cp redis-6.2.6/redis.conf 7001
cp redis-6.2.6/redis.conf 7002
cp redis-6.2.6/redis.conf 7003

# 方式二:管道组合命令,一键拷贝
echo 7001 7002 7003 | xargs -t -n 1 cp redis-6.2.6/redis.conf

4)修改每个实例的端口、工作目录

修改每个文件夹内的配置文件,将端口分别修改为7001、7002、7003,将rdb文件保存位置都修改为自己所在目录(在/local目录执行下列命令):

sed -i -e 's/6379/7001/g' -e 's/dir .//dir /usr/local/7001//g' 7001/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7002/g' -e 's/dir .//dir /usr/local/7001//g' 7002/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7003/g' -e 's/dir .//dir /usr/local/7001//g' 7003/redis.conf

5)修改每个实例的声明IP

虚拟机本身有多个IP,为了避免将来混乱,我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息,格式如下:

# redis实例的声明 IP为自己虚拟机的IP
replica-announce-ip 192.168.211.100

由于每个目录都的要redis.conf文件都要修改,我们也可以通过以下命令一键完成修改(在/local目录执行下列命令):

# 逐一执行
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.211.100' 7001/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.211.100' 7002/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.211.100' 7003/redis.conf

# 或者一键修改
printf '%sn' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.211.100' {}/redis.conf

1.2 启动

为了方便查看日志,我们在额外打开3个ssh窗口(目前使用的窗口先不要关闭),分别启动3个redis实例,启动命令:

# 第1个
redis-server /usr/local/7001/redis.conf
# 第2个
redis-server /usr/local/7002/redis.conf
# 第3个
redis-server /usr/local/7003/redis.conf

如果要一键停止,可以运行下面命令:

printf '%sn' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown

1.3 开启主从关系

现在三个实例还没有任何关系,要配置主从可以使用replicaof 或者slaveof(5.0以前)命令。

主从关系之间的配置有临时和永久两种模式:

  • 修改配置文件(永久生效)在redis.conf中添加一行配置:

    slaveof <masterip> <masterport>
    
  • 使用redis-cli客户端连接到redis服务,执行slaveof命令(重启后失效):

    slaveof <masterip> <masterport>
    

这里我们为了方便演示,使用方式二:

通过redis-cli命令连接7002,执行下面命令:

# 连接7002
redis-cli -p 7002
# 执行slaveof
slaveof 192.168.211.100 7001

通过redis-cli命令连接7003,执行下面命令:

# 连接 7003
redis-cli -p 7003
# 执行slaveof
slaveof 192.168.211.100 7001

然后连接 7001节点,查看集群状态:

# 连接 7001
redis-cli -p 7001 -a 123456
# 查看状态
info replication

整体流程图示如下:

在这里插入图片描述

1.4 测试

执行下列操作以测试:

  • 利用redis-cli连接7001,执行set num 123

  • 利用redis-cli连接7002,执行get num,再执行set num 666

  • 利用redis-cli连接7003,执行get num,再执行set num 888

可以发现,只有在7001这个master节点上可以执行写操作,7002和7003这两个slave节点只能执行读操作。

2 主从数据同步原理

2.1 全量同步

主从第一次建立连接时,会执行全量同步,将master节点的所有数据都拷贝给slave节点,具体流程如下:

主从第一次建立连接后,slave会向master发送数据同步的请求。master在接收到slave的请求后,首先会判断slave是不是第一次请求,如果是第一次请求,master则会将其版本信息返回给slave,而slave在接收到master的版本信息后,会将其保存下来。

master在向slave同步数据时,会执行bgsave命令,异步开辟独立进程来生成RDB文件。RDB文件一旦生成,master就会将RDB文件发送给slave。slave在接收到master发送过来的RDB文件后,首先会清空本地数据,然后再去将RDB文件加载到本地。这样slave中的数据就与master中的数据基本一致了。

为什么说基本一致呢?这是因为RDB文件是异步生成的,在生成RDB文件的过程中,master可能会执行新的命令,从而产生新的数据,而这些新数据已经无法通过RDB来同步给slave了,为了解决这个问题,在生成RDB期间,master所接收的所有命令都会被记录到 一个名为repl_baklog 文件中。在向salve同步完RDB且repl_baklog记录结束后,master就会将repl_baklog文件发送给 slave,slave接收到文件后,就会执行repl_baklog中记录的命令。
若后续仍有新的命令执行,则新的命令依旧会被记录到repl_baklog中,然后再由独立进程发送给slave,slave接收后再执行repl_baklog 中的命令。循环往复,以此来保证slave与master的数据一致性。

在这里插入图片描述

在这一过程中,master会将内存中的数据全部同步给slave,所以叫全量同步,这一过程是比较消耗性能的。

这里有一个问题,master如何得知salve是否为第一次来连接的呢?有几个概念可以作为判断依据:

  • Replication Id:简称replid,是数据集的标记,id一致则说明是同一数据集,每一个节点都会有唯一的replid,而slave第一次连接master并发送同步数据请求时,master会将自己的replid发送给slave,slave拿到这个replid会将自己的原本的replid覆盖
  • offset:偏移量,在master中,offset记录的是repl_baklog已经写入的位置,下一次写入记录时会从offset开始写入,slave完成同步时也会记录当前同步的offset。如果slave的offset小于master的offset,说明slave数据落后于master,需要更新。

因此slave在向master发送数据同步请求时,必须同时携带replication id和offset两项信息,master才可以判断该slave到底需要同步哪些数据。

一个节点在变成slave前,都会有自己独立的replid和offset,当第一次变成slave,与master建立连接时,发送的replid和offset是自己的replid和offset,master判断发现slave发送来的replid与自己的不一致,说明这是一个全新的slave,那么主节点需要做的就是全量同步。同步结束后,master会将自己的replid和offset都发送给这个slave,slave保存这些信息。下一次来访问时,slave的replid就与master保持一致了。

因此,master判断一个节点是否是第一次同步的依据,就是看replid是否一致。

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主从第一次建立连接的完整流程描述如下:

  • slave节点请求增量同步
  • master节点判断replid,发现不一致,拒绝增量同步,进行全量同步
  • master将完整内存数据生成RDB,发送RDB到slave
  • slave清空本地数据,加载master的RDB
  • master将RDB期间的命令记录在repl_baklog,并持续将log中的命令发送给slave
  • slave执行接收到的命令,保持与master之间的同步

2.2 增量同步

主从第一次同步是全量同步,但是后续同步,包括slave进行了重启之后的同步,执行的基本上都是增量同步

由于全量同步需要先做RDB,然后将RDB文件通过网络传输给slave,因此进行一次全量同步会占用大量资源。因此除了第一次连接需要做全量同步以外,其它大多数时候slave与master都是做增量同步。

什么是增量同步?就是只更新slave与master存在差异的部分数据。

slave向master发送同步请求之后,请求中会携带有自己的replid与offset。由于slave并不是第一次请求,因此携带的replid和master的replid是一致的。master在判断得知slave并非第一次请求后,会获取svale请求中携带的offset,并从repl_baklog中获取该offset之后的数据,然后将其发送给slave,slave在接收到后执行相关命令。

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master和slave之间会按照一定的频率进行增量同步,从而保证slave与master之间数据的一致性

关于上述过程中还有一些细节需要讲解,在这里我们需要了解一下repl_backlog的读写规则

2.3 repl_backlog原理

repl_baklog中记录着Redis已经处理过的命令日志及offset,包括master当前的offset,和slave已经拷贝到的offset。其底层是一个固定大小的数组,但是这个数组是环形的,也就是说角标到达数组末尾后,会再次从0开始读写,这样数组头部的数据就会被覆盖。

为了方便理解,我们可以结合以下图片来观察,图片中绿色部分表示master已经同步给slave的部分,而红色的部分表示master尚未同步给slave的部分:

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红色部分的长度为master的offset减去slave的offset,这部分是salve需要进行增量同步的部分。随着不断有数据写入,master的offset逐渐变大,同时master和slave之间也会以一定的频率进行增量同步,从而保证slave的offset是在不断追赶master的offset的

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直到数组被填满,master会从数组头部开始再次进行数据的写入:

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此时,repl_baklog中的旧数据就被覆盖了。不过,这些旧的数据只要是绿色的,就说明是已经被同步到slave的数据,即便被覆盖了也没什么影响,因为未同步的仅仅只是红色部分。

但是,如果slave出现网络阻塞,导致master的offset远远超过了slave的offset:

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如果master继续写入新数据,其offset就会覆盖旧的数据,直到将slave现在的offset覆盖:

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棕色框中的红色部分,就是尚未同步,但是却已经被覆盖的数据。此时如果slave恢复正常,需要进行同步,就会发现自己的offset已经被覆盖了,这时主从之间就无法做增量同步了,只能选择做全量同步。

2.4 主从同步优化

主从同步可以保证主从数据的一致性,因此十分重要,我们可以从以下几个方面来优化Redis主从集群的可用性:

  • 修改master的redis.conf配置,开启无磁盘复制

    repl-diskless-sync yes
    

    正常的主从同步时,master需要先写RDB文件到磁盘中,然后再将RDB通过网络发送给slave,而磁盘的读写是比较慢的,如果我们启动了无磁盘复制时,master在写RDB文件时就不会写入磁盘,而是直接写入网络然后发送给slave,这样也就减少了一次磁盘读写,提高了整体性能,但是对网络带宽有一定要求,如果带宽不够则很容易引起网络阻塞

  • 尽量限制Redis单节点上的内存占用,减少RDB导致的过多磁盘IO

  • 适当提高repl_baklog的大小,发现slave宕机时尽快实现故障恢复,尽可能避免全量同步

  • 尽量限制一个master上的slave节点数量,如果slave数量过多,则可以采用主—从—从的链式结构,减少master压力,具体如下:

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