Redis 主从复制原理及作用详解

概述

Redis 主从复制是一种数据同步机制，它允许一个 Redis 服务器（称为主服务器/Master）将其数据复制到一个或多个 Redis 服务器（称为从服务器/Slave/Replica）。这是 Redis 实现高可用性、可扩展性和数据冗余的核心技术之一。

一、核心作用

1. 数据冗余与备份：
   • 核心作用：从服务器是主服务器数据的实时热备份。当主服务器数据丢失或损坏时，可以从从服务器恢复，是实现数据持久化的另一种有效方式。
2. 读写分离与负载均衡：
   • 核心作用：主服务器通常处理写操作和强一致性读操作，而从服务器可以处理大量的读操作。通过将读请求分流到多个从服务器上，可以显著提升系统的整体读吞吐量和并发能力。
   • 注意：由于复制是异步的，从服务器上的数据可能存在毫秒级的延迟，适用于对数据一致性要求不非常严格的读场景（如缓存、报表查询）。
3. 高可用和故障恢复的基石：
   • 核心作用：主从复制是构建Redis Sentinel（哨兵）和Redis Cluster（集群）等高可用架构的基础。当主服务器发生故障时，可以通过哨兵自动将一个从服务器提升为新的主服务器，实现服务快速切换，保证业务的连续性。
4. 横向扩展读能力：
   • 核心作用：当读请求成为瓶颈时，可以简单地通过添加更多从服务器来线性扩展读性能，而无需升级主服务器硬件。

二、详细工作原理

整个复制过程可以分为三个阶段：连接建立阶段、数据同步阶段、命令传播阶段。

阶段 1：连接建立与配置

1. 配置从节点：在从服务器配置文件 (redis.conf) 中设置 replicaof <master-ip> <master-port> 或在运行时使用 REPLICAOF 命令。
2. 建立连接：从服务器根据配置，向主服务器发起一个 Socket 连接，并发送 PING 命令检查通信是否正常。
3. 身份验证：如果主服务器设置了 requirepass，从服务器需要发送 AUTH 命令进行密码验证。
4. 端口监听：从服务器还会建立一个 复制积压缓冲区监听端口，等待主服务器后续发送数据。

阶段 2：数据同步（全量/部分同步）

这是复制过程中最核心、最复杂的部分。Redis 2.8 之后，使用 PSYNC 命令取代了旧的 SYNC 命令，支持部分重同步，极大地优化了断线重连后的效率。

• 全量同步：

  • 触发条件：从服务器是第一次连接主服务器，或者从服务器记录的复制偏移量已经不在主服务器的复制积压缓冲区中。
  • 过程：
    1. 从服务器发送 PSYNC ? -1 命令请求全量同步。
    2. 主服务器执行 BGSAVE 命令，在后台生成当前数据的 RDB 快照文件。
    3. 主服务器将 RDB 文件通过网络发送给从服务器。在生成和传输 RDB 期间，新的写命令会被缓存在内存的复制客户端缓冲区中。
    4. 从服务器清空自身旧数据，然后加载接收到的 RDB 文件，将自身数据状态更新到与主服务器执行 BGSAVE 时一致。
    5. 主服务器将复制客户端缓冲区中积累的写命令发送给从服务器，从服务器执行这些命令，最终达到与主服务器完全一致的状态。
  • 缺点：非常消耗主服务器的 CPU、内存、磁盘 I/O 和网络带宽，尤其是数据量大时。

• 部分同步：

  • 触发条件：从服务器短时间断开后重连，并且它之前同步的偏移量仍然存在于主服务器的复制积压缓冲区中。
  • 过程：
    1. 从服务器发送 PSYNC <runid> <offset> 命令，其中 runid 是主服务器的唯一 ID，offset 是从服务器当前的复制偏移量。
    2. 主服务器判断 runid 是否与自己一致，且 offset 之后的数据是否还在复制积压缓冲区内。
    3. 如果条件满足，主服务器回复 +CONTINUE，然后仅将从 offset 到缓冲区末尾的写命令发送给从服务器。
  • 优点：效率极高，只传输少量缺失的数据，对资源影响小。

关键概念解释：

• 复制偏移量：主从服务器各自维护一个偏移量计数器。主服务器每次传播 N 个字节的命令，其偏移量就增加 N。从服务器每次接收到 N 个字节，其偏移量也增加 N。通过对比偏移量可以判断数据是否一致。
• 复制积压缓冲区：主服务器维护的一个固定长度的先进先出队列。它持续记录最近传播的写命令。其大小通过 repl-backlog-size 配置，是决定能否进行部分同步的关键。
• 服务器运行 ID：每个 Redis 实例启动时都会生成一个唯一的运行 ID。从服务器会记录主服务器的 ID。当主服务器重启变更后，运行 ID 改变，从服务器会触发全量同步。

阶段 3：命令传播（增量同步）

数据同步完成后，复制进入稳定阶段。

1. 持续同步：主服务器每执行一个会修改数据集的写命令（如 SET、LPUSH 等），都会异步地将这个命令发送给所有连接的从服务器。
2. 从服务器执行：从服务器接收到命令后，会在自身的数据集上执行相同的命令，从而保持与主服务器的最终一致性。
3. 异步特性：整个命令传播过程是异步的。主服务器发送命令后不会等待从服务器的回复。这意味着在极端情况下，如果主服务器在命令发送后立即宕机，该命令可能丢失，导致从服务器数据稍旧。这是 Redis 复制在性能和强一致性之间做的权衡。

三、重要特性与配置

• 异步复制：默认且最常用的模式，性能好，但存在数据丢失的极小窗口期。
• 可配置的'最小副本数'：通过 min-replicas-to-write 和 min-replicas-max-lag 配置，可以让主服务器在连接的从服务器数量不足或延迟过高时，拒绝执行写命令。这在一定程度上提高了数据的安全性，牺牲了部分可用性。
• 无磁盘复制：通过 repl-diskless-sync 配置，主服务器可以直接将 RDB 内容通过网络发送给从服务器，而不需要先落盘。适用于磁盘 IO 慢的网络环境。
• 级联复制：从服务器也可以有自己的从服务器，形成树状复制结构，可以减轻主服务器在传播命令时的网络压力。

四、总结与形象比喻

你可以将 Redis 主从复制理解为一个 '出版 - 订阅'模型 或 '领导 - 跟随'模型：

• 主服务器 就像出版社，负责撰写和出版新书（写命令）。
• 复制积压缓冲区 就像是出版社的近期稿件仓库。
• 从服务器 就像各地的书店。
• 全量同步 就像书店第一次进货，需要把出版社的所有库存书籍（RDB）全部运过来。
• 部分同步 就像书店临时补货，只从出版社的近期稿件仓库里拿最新出版的那几本书。
• 命令传播 就像出版社每出版一本新书，就立即寄送给所有订阅的书店。

作用：这个系统让书店（从服务器）始终有书可卖（数据可读），即使总社（主服务器）暂时关闭，也能从其他大型书店（另一个从服务器）调货，保证了图书销售系统（Redis 服务）的稳定和高效。

面试回答

Redis 主从复制主要用来实现数据的冗余备份、读写分离和高可用。它的核心就是让一个主节点的数据自动同步到一个或多个从节点上。

原理上，我把它分为三个阶段：

1. 建立连接阶段
   从节点启动后，会通过 slaveof 命令或者配置指向主节点，然后向主节点发送 PSYNC 命令请求同步。主节点收到请求后，会生成一个 RDB 快照文件（bgsave 方式），同时用缓冲区记录这期间的新写命令。
2. 数据同步阶段
   主节点把生成的 RDB 文件发送给从节点，从节点清空自己的旧数据，然后加载这个 RDB 来恢复数据。如果在生成 RDB 期间主节点有新的写操作，这些命令会先保存在一个叫'复制缓冲区'的地方。
3. 命令传播阶段
   RDB 同步完成之后，主节点会把复制缓冲区里的写命令以及后续的所有写命令，以 AOF 重放的方式发送给从节点，从节点执行这些命令，从而和主节点保持实时一致。之后主节点每执行一个写命令，都会异步发送给从节点。

另外，Redis 2.8 之后支持了部分重同步：如果从节点短暂断连后又恢复，主节点可以根据复制偏移量和复制缓冲区，只发送断开期间缺失的那部分命令，而不需要全量同步，这大大提升了复制的效率。

主从复制的作用主要有三点：

1. 数据备份
   从节点相当于主节点的一个实时备份，一旦主节点数据丢失，可以从从节点恢复。
2. 读写分离
   主节点负责写，从节点可以分担读请求，这样提升整体读的吞吐量，适合读多写少的场景。
3. 高可用基础
   主从复制是 Redis Sentinel 和 Redis Cluster 实现高可用的基础，主节点挂了之后，可以手动或自动将一个从节点提升为主节点，继续提供服务。