主从复制

在redis中，用户可以通过 slaveof命令或者设置slaveof选项，让一个服务器去复制(replicate)另一个服务器，我们将被复制的服务器称为主服务器(master)，而对主服务器进行复制的服务器称为从服务器(slave)。关系图如下：

🔎基础案例：

现在有两台redis服务器，分别是 127.0.0.1:6379和127.0.0.1:6380
在6380服务器指定为6379的从客户机
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slaveof 127.0.0.1 6379
进行复制中的主从服务器双方的数据库将保存相同的数据，概念上将这种现象称作“数据库状态一致”，或者简称“一致”。

现象：
- 在主服务器执行 set test 'hello'
- 在从服务器执行 get test
这时，从服务器是可以获取到这个test的数据的。

SYNC

redis主从复制功能分为同步(sync)和命令传报(command propagate)两个操作：

同步操作用户将从服务器的数据库状态更新至主服务器当前所在的数据库状态。
命令传播操作则是用于保证主服务器的数据状态被修改时，使主从服务器的数据库重新回到一致状态。

同步

当客户端向从服务器发送slaveof命令的时候，要求从服务器复制主服务器时，从服务器首先需要执行同步操作。也就是：将从服务器的数据库状态更新至主服务器当前所在的数据库状态。

从服务器对主服务器的同步操作时，会向主服务器发送 SYNC命令，该命令的执行步骤如下：

从服务器向主服务器发送SYNC命令
收到SYNC命令的主服务器执行bgsave命令，在后台生成一个RDB文件，并使用一个缓冲区记录从现在开始执行的所有命令。
当主服务器的bgsave命令执行完毕时，主服务器会将RDB文件发送给从服务器，从服务器接收并载入这个RDB文件，将自己的数据库状态更新至主服务器执行bgsave命令时的数据库状态。
主服务器将记录在缓冲区里面的所有写命令发送给从服务器，从服务器执行这些写命令，将自己的数据库状态更新至主服务器数据库当前所处的状态。

命令传播

在同步操作执行完毕之后，主从数据库是一致的，当主服务器执行了其他写命令之后，会打破这种状态。故而，在主服务器执行写命令时，将这一命令发送给从服务器执行，从而使数据库状态达到一致。

缺陷

对处理主从服务断开后重复制的处理不是很理想，举个例子

从上述例子中，可以看出，主从服务器断开重连之后，SYNC会重新生成一个完整的RDB，对于从服务器来将，它只缺失了主从服务断开之后的数据而已，但是SYNC却是重新生成了一整个完整的RDB。

SYNC命令的缺陷

每次执行SYNC命令，主从服务器需要执行以下动作：

主服务器需要执行BGSAVE命令来生成RDB文件，这个生成操作会耗费主服务器大量的CPU、内存和磁盘I/O资源。
主服务器需要将自己生成的RDB文件发送给从服务器，这个发送操作会耗费主从服务器大量的网络资源（带宽和流量），并对主服务器响应命令请求的时间产生影响。
接收到RDB文件的从服务器需要载入主服务器发来的RDB文件，并且在载入期间，从服务器会因为阻塞而没办法处理命令请求。

⭐PSYNC

redis从2.8之后，使用PSYNC命令代替SYNC命令执行复制时的同步操作。

PSYNC命令具有完整重同步(full resynchronization)和部分重同步(partial resynchronization)两种模式：

完整重同步用于处理初次复制情况：完整重同步的执行步骤和SYNC命令的执行步骤基本一样，它们都是通过让主服务器创建并发送RDB文件，以及向从服务器发送保存在缓冲区里面的写命令来进行同步。
部分重同步则用于处理断线后重复制情况：当从服务器在断线后重新连接主服务器时，如果条件允许，主服务器可以将主从服务器连接断开期间执行的写命令发送给从服务器，从服务器只要接收并执行这些写命令，就可以将数据库更新至主服务器当前所处的状态。

部分重同步

由一下三个部分组成：

主服务器的复制偏移量(replication offset)和从服务器的复制偏移量
主服务器的复制积压缓冲区(replication backlog)
服务器的运行ID(run ID)

复制偏移量

执行复制的双方-主服务器和从服务器会分别维护一个复制偏移量：

主服务器，每次向从服务器传播N个字节的数据时，就将自己的复制偏移量的值加上N
从服务器，每次接收到主服务器传播来的N个字节的数据时，就将自己的复制偏移量的值加上N

通过对比主从服务器的复制偏移量，程序就可以直到从服务器是否处于一致状态：如果主从服务器处于一致状态，那么主从服务器两者的偏移量总是相同的；如果偏移量并不相同，那么主从服务器不一致。

❓从上图中，服务器A断线之后，立即重连，向主服务器发送了自己的偏移量。那么主服务器应该对从服务器执行完整重同步还是部分重同步？如果是部分重同步的话，主服务器是如何补偿从服务器A在断线期间丢失的数据？

复制积压缓冲区

是由主服务器维护的一个固定长度(fixed-size)先进先出的(FIFO)队列，默认大小为1MB。

当主服务器进行命令传播时，他不仅会将命令发送个所有服务器，还会将写命令入队到复制积压缓冲区里面，

因此，主服务器的复制积压缓冲区里面会保存着一部分最近传播的写命令，并且复制积压缓冲区会为队列的每个字节记录相应的复制偏移量，例如：

当服务器重新连上主服务器时，从服务器会通过PSYNC命令将自己的复制偏移量offset发送给主服务器，主服务器会根据这个偏移量来决定对从服务器执行何种同步操作：

如果offset偏移量之后的数据（也即是偏移量offset+1开始的数据）仍然存在于复制积压缓冲区里面，那么主服务器将对从服务器执行部分重同步操作。
如果offset偏移量之后的数据（也即是偏移量offset+1开始的数据）仍然存在于复制积压缓冲区里面，那么主服务器将对从服务器执行部分重同步操作。

拿上节中的示例图为例：

当服务器A断线之后，立即重新来凝结主服务器，并发送PSYNC命令，报告自己的复制偏移量时10086；
主服务器介绍到从服务器法洛斯的PSYNC命令以及偏移量10086之后，检查偏移量之后的数据是否存在于复制积压缓冲区里边，发现存在，于是向从服务器发送+CONTINUE回复，表示数据同步将以部分冲同步模式来进行。
接着主服务器将复制积压缓冲区10086偏移量之后的所有数据都发送给从服务器

Redis为复制积压缓冲区设置的默认大小为1MB，如果主服务器需要执行大量写命令，或者主从服务器短线之后重连所需要的事件比较长，那么这个大小也许并不合适。如果复制积压缓冲区的大小设置得不恰当，那么PSYNC命令的复制重同步模式就不能正常发挥作用，因此，正确估算和设置复制积压缓冲区的大小非常重要。复制积压缓冲区的最小大小可以根据公式second*write_size_per_second来估算：【其中，second为从服务器断线后重新连接上主服务器所需要的时间(以秒衡量)；write_size_per_second则是主服务器平均每秒产生的写命令数据量(协议格式的写命令的长度总和)】

例如，如果主服务器平均每秒产生1 MB的写数据，而从服务器断线之后平均要5秒才能重新连接上主服务器，那么复制积压缓冲区的大小就不能低于5MB。

为了安全起见，可以将复制积压缓冲区的大小设为2*second*write_size_per_second，这样可以保证绝大部分断线情况都能用部分重同步来处理。

至于复制积压缓冲区大小的修改方法，可以参考配置文件中关于repl-backlog-size选项的说明。

服务器运行ID

每个Redis服务器，不论主服务器还是从服务，都会有自己的运行ID。运行ID在服务器启动时自动生成，由40个随机的十六进制字符组成。

当从服务器对主服务器进行初次复制时，主服务器会将自己的运行ID传送给从服务器，而从服务器则会将这个运行ID保存起来。当从服务器断线并重新连上一个主服务器时，从服务器将向当前连接的主服务器发送之前保存的运行ID：

如果从服务器保存的运行ID和当前连接的主服务器的运行ID相同，那么说明从服务器断线之前复制的就是当前连接的这个主服务器，主服务器可以继续尝试执行部分重同步操作。
相反地，如果从服务器保存的运行ID和当前连接的主服务器的运行ID并不相同，那么说明从服务器断线之前复制的主服务器并不是当前连接的这个主服务器，主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

PSYNC的实现

PSYNC命令的调用方法有两种：

如果从服务器以前没有复制过任何主服务器，或者之前执行过SLAVEOF no one命令，那么从服务器在开始一次新的复制时将向主服务器发送PSYNC ? -1命令，主动请求主服务器进行完整重同步（因为这时不可能执行部分重同步）。
相反地，如果从服务器已经复制过某个主服务器，那么从服务器在开始一次新的复制时将向主服务器发送PSYNC ＜runid＞＜offset＞命令：其中runid是上一次复制的主服务器的运行ID，而offset则是从服务器当前的复制偏移量，接收到这个命令的主服务器会通过这两个参数来判断应该对从服务器执行哪种同步操作。

根据情况，接收到PSYNC命令的主服务器会向从服务器返回以下三种回复的其中一种：

如果主服务器返回+FULLRESYNC ＜runid＞＜offset＞回复，那么表示主服务器将与从服务器执行完整重同步操作：其中runid是这个主服务器的运行ID，从服务器会将这个ID保存起来，在下一次发送PSYNC命令时使用；而offset则是主服务器当前的复制偏移量，从服务器会将这个值作为自己的初始化偏移量。
如果主服务器返回+CONTINUE回复，那么表示主服务器将与从服务器执行部分重同步操作，从服务器只要等着主服务器将自己缺少的那部分数据发送过来就可以了。
如果主服务器返回-ERR回复，那么表示主服务器的版本低于Redis 2.8，它识别不了PSYNC命令，从服务器将向主服务器发送SYNC命令，并与主服务器执行完整同步操作。

复制的实现

设置主服务器的地址和端口
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slaveof 127.0.0.1 6379
从服务器首先要做的就是将客户端给定的主服务IP地址127.0.0.1以及端口6379保存到服务器状态的masterhost属性和masterport属性中
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struct redisServer{
//...
char *masterhost; // 主服务器地址
int masterport; // 主服务端口
//...
}
slaveof命令是一个异步命令，在完成masterhost属性和masterport属性的设置工作之后，从服务器将向发送slaveof命令的客户端返回OK，表示复制指令已经被接收，而实际的复制工作将在OK返回之后才真正开始执行。
建立套接字连接

在slaveof命令执行之后，从服务器将根据命令所设置的IP地址和端口，创建连向主服务器的套接字连接

如果从服务器创建的套接字能成功连接（connect）到主服务器，那么从服务器将为这个套接字关联一个专门用于处理复制工作的文件事件处理器，这个处理器将负责执行后续的复制工作，比如接收RDB文件，以及接收主服务器传播来的写命令，诸如此类。

而主服务器在接受（accept）从服务器的套接字连接之后，将为该套接字创建相应的客户端状态，并将从服务器看作是一个连接到主服务器的客户端来对待，这时从服务器将同时具有服务器（server）和客户端（client）两个身份：从服务器可以向主服务器发送命令请求，而主服务器则会向从服务器返回命令回复。

因为复制工作接下来的几个步骤都会以从服务器向主服务器发送命令请求的形式来进行，所以理解“从服务器是主服务器的客户端”这一点非常重要。
发送PING命令

从服务器成为主服务器的客户端之后，做的第一件事就是向主服务器发送一个PING命令。
PING命令起到两个作用：
- 主从服务器成功建立起了套接字连接，但双方并未使用该套接字进行任何通信，通过发送PING命令可以检查套接字的读写状态是否正常
- 检查主服务器能否正常处理命令请求。
从服务器在发送PING命令之后将遇到以下三种情况的其中一种：
- 如果主服务器向从服务器返回了一个命令回复，但从服务器却不能在规定的时限（timeout）内读取出命令回复的内容，那么表示主从服务器之间的网络连接状态不佳，不能继续执行复制工作的后续步骤。当出现这种情况时，从服务器断开并重新创建连向主服务器的套接字。
- 如果主服务器向从服务器返回一个错误，那么表示主服务器暂时没办法处理从服务器的命令请求，不能继续执行复制工作的后续步骤。当出现这种情况时，从服务器断开并重新创建连向主服务器的套接字。比如说，如果主服务器正在处理一个超时运行的脚本，那么当从服务器向主服务器发送PING命令时，从服务器将收到主服务器返回的BUSY Redisis busy running a script.You can only call SCRIPT KILL or SHUTDOWN NOSAVE.错误。
- 如果从服务器读取到"PONG"回复，那么表示主从服务器之间的网络连接状态正常，并且主服务器可以正常处理从服务器（客户端）发送的命令请求，在这种情况下，从服务器可以继续执行复制工作的下个步骤。
身份验证

从服务器在收到主服务器返回的"PONG"回复之后，下一步要做的就是决定是否进行身份验证：
- 如果从服务器设置了masterauth选项，那么进行身份验证。
- 如果从服务器没有设置masterauth选项，那么不进行身份验证。
在需要进行身份验证的情况下，从服务器将向主服务器发送一条AUTH命令，命令的参数为从服务器masterauth选项的值。举个例子，如果从服务器masterauth选项的值为10086，那么从服务器将向主服务器发送命令AUTH 10086。

从服务器在身份验证阶段可能遇到的情况有以下几种：
- 如果主服务器没有设置requirepass选项，并且从服务器也没有设置masterauth选项，那么主服务器将继续执行从服务器发送的命令，复制工作可以继续进行。
- 如果从服务器通过AUTH命令发送的密码和主服务器requirepass选项所设置的密码相同，那么主服务器将继续执行从服务器发送的命令，复制工作可以继续进行。与此相反，如果主从服务器设置的密码不相同，那么主服务器将返回一个invalid password错误。
- 如果主服务器设置了requirepass选项，但从服务器却没有设置masterauth选项，那么主服务器将返回一个NOAUTH错误。另一方面，如果主服务器没有设置requirepass选项，但从服务器却设置了masterauth选项，那么主服务器将返回一个no password is set错误。
所有错误情况都会令从服务器中止目前的复制工作，并从创建套接字开始重新执行复制，直到身份验证通过，或者从服务器放弃执行复制为止。
发送端口信息

在身份验证步骤之后，从服务器将执行命令REPLCONF listening-port ＜port-number＞，向主服务器发送从服务器的监听端口号。例如在我们的例子中，从服务器的监听端口为6380，那么从服务器将向主服务器发送命令REPLCONF listening-port 6380。

主服务器在接收到这个命令之后，会将端口号记录在从服务器所对应的客户端状态的slave_listening_port属性中：
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typedef struct redisClient {
// ...
//从服务器的监听端口号
int slave_listening_port;
// ...
} redisClient;
slave_listening_port属性目前唯一的作用就是在主服务器执行INFO replication命令时打印出从服务器的端口号。主服务器客户端通过 info relication命令查看。
同步

在这一步，从服务器将向主服务器发送PSYNC命令，执行同步操作，并将自己的数据库更新至主服务器数据库当前所处的状态。

值得一提的是，在同步操作执行之前，只有从服务器是主服务器的客户端，但是在执行同步操作之后，主服务器也会成为从服务器的客户端：
- 如果PSYNC命令执行的是完整重同步操作，那么主服务器需要成为从服务器的客户端，才能将保存在缓冲区里面的写命令发送给从服务器执行。
- 如果PSYNC命令执行的是部分重同步操作，那么主服务器需要成为从服务器的客户端，才能向从服务器发送保存在复制积压缓冲区里面的写命令。
正因为主服务器成为了从服务器的客户端，所以主服务器才可以通过发送写命令来改变从服务器的数据库状态，不仅同步操作需要用到这一点，这也是主服务器对从服务器执行命令传播操作的基础。
命令传播

当完成了同步之后，主从服务器就会进入命令传播阶段，这时主服务器只要一直将自己执行的写命令发送给从服务器，而从服务器只要一直接收并执行主服务器发来的写命令，就可以保证主从服务器一直保持一致了。

心跳检查

在命令传播阶段，从服务器默认会以每秒一次的频率，向主服务器发送命令： replconf ack ＜replication_offset＞

其中replication_offset是从服务器当前的复制偏移量。发送replconf ack命令对于主从服务器有三个作用：

检测主从服务器的网络连接状态。

通过在主服务器的客户端 info replication命令查看其中的lag一栏，这表示从服务器最后一次向主服务器发送 replconf ack命令距离现在过去了多少秒。一般在0或者1之间跳动，如果超过1秒，说明主从服务器之间的连接出现了问题。
辅助实现min-slaves选项。

redis的min-slaves-to-write和min-slaves-max-lag两个选项可以防止主服务器在不安全的情况下执行写命令。
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2
min-slaves-to-write 3
min-slaves-max-lag 10
例如上述代码就意味着：在从服务器的数量少于3或者3个从服务器的延迟(lag)值都大于等于10秒时，主服务器将拒绝执行写命令。
检测命令丢失。

如果因为网络故障，主服务器传播给从服务器的写命令在半路丢失，那么当从服务器向主服务器发送replconf ack命令时，主服务器将发觉从服务器当前的复制偏移量少于自己的复制偏移量，然后主服务器就会根据从服务器提交的复制偏移量，在复制积压缓冲区里面找到从服务器缺少的数据，并将这些数据重新发送给从服务器。

Redis|主从