摘要

早期的RDBMS被設計為執行在單個CPU之上，讀寫操作都由經單個數據庫例項完成，複製技術使得資料庫的讀寫操作可以分散在運行於不同CPU之上的獨立伺服器上，Redis作為一個開源的、優秀的key-value快取及持久化儲存解決方案，也提供了複製功能，本文主要介紹Redis的複製原理及特性。

Redis複製概論

資料庫複製指的是發生在不同資料庫例項之間，單向的資訊傳播的行為，通常由被複制方和複製方組成，被複制方和複製方之間建立網路連線，複製方式通常為被複制方主動將資料傳送到複製方，複製方接收到資料儲存在當前例項，最終目的是為了保證雙方的資料一致、同步。

複製示意圖

Redis複製方式

Redis的複製方式有兩種，一種是主（master）-從（slave）模式，一種是從（slave）-從（slave）模式，因此Redis的複製拓撲圖會豐富一些，可以像星型拓撲，也可以像個有向無環：

Redis叢集複製結構圖

通過配置多個Redis例項獨立執行、定向複製，形成Redis叢集，master負責寫、slave負責讀。

複製優點

通過配置多個Redis例項，資料備份在不同的例項上，主庫專注寫請求，從庫負責讀請求，這樣的好處主要體現在下面幾個方面：

1、高可用性

在一個Redis叢集中，如果master宕機，slave可以介入並取代master的位置，因此對於整個Redis服務來說不至於提供不了服務，這樣使得整個Redis服務足夠安全。

2、高效能

在一個Redis叢集中，master負責寫請求，slave負責讀請求，這麼做一方面通過將讀請求分散到其他機器從而大大減少了master伺服器的壓力，另一方面slave專注於提供讀服務從而提高了響應和讀取速度。

3、水平擴充套件性

通過增加slave機器可以橫向（水平）擴充套件Redis服務的整個查詢服務的能力。

複製缺點

複製提供了高可用性的解決方案，但同時引入了分散式計算的複雜度問題，認為有兩個核心問題：

1. 資料一致性問題，如何保證master伺服器寫入的資料能夠及時同步到slave機器上。
2. 程式設計複雜，如何在客戶端提供讀寫分離的實現方案，通過客戶端實現將讀寫請求分別路由到master和slave例項上。

上面兩個問題，尤其是第一個問題是Redis服務實現一直在演變，致力於解決的一個問題。

複製實時性和資料一致性矛盾

Redis提供了提高資料一致性的解決方案，本文後面會進行介紹，一致性程度的增加雖然使得我能夠更信任資料，但是更好的一致性方案通常伴隨著效能的損失，從而減少了吞吐量和服務能力。然而我們希望系統的效能達到最優，則必須要犧牲一致性的程度，因此Redis的複製實時性和資料一致性是存在矛盾的。

Redis複製原理及特性

slave指向master

舉個例子，我們有四臺redis例項，M1，R1、R2、R3，其中M1為master，R1、R2、R3分別為三臺slave redis例項。在M1啟動如下：

./redis-server ../redis8000.conf --port 8000

下面分別為R1、R2、R3的啟動命令：

 ./redis-server ../redis8001.conf --port 8001 --slaveof 127.0.0.1 8000
 ./redis-server ../redis8002.conf --port 8002 --slaveof 127.0.0.1 8000
 ./redis-server ../redis8003.conf --port 8003 --slaveof 127.0.0.1 8000

這樣，我們就成功的啟動了四臺Redis例項，master例項的服務埠為8000，R1、R2、R3的服務埠分別為8001、8002、8003，叢集圖如下：

Redis叢集複製拓撲

上面的命令在slave啟動的時候就指定了master機器，我們也可以在slave執行的時候通過slaveof命令來指定master機器。

複製過程

Redis複製主要由SYNC命令實現，複製過程如下圖：

Redis複製過程

上圖為Redis複製工作過程：

1. slave向master傳送sync命令。
2. master開啟子程序來講dataset寫入rdb檔案，同時將子程序完成之前接收到的寫命令快取起來。
3. 子程序寫完，父程序得知，開始將RDB檔案傳送給slave。
4. master傳送完RDB檔案，將快取的命令也發給slave。
5. master增量的把寫命令發給slave。

值得注意的是，當slave跟master的連線斷開時，slave可以自動的重新連線master，在redis2.8版本之前，每當slave程序掛掉重新連線master的時候都會開始新的一輪全量複製。如果master同時接收到多個slave的同步請求，則master只需要備份一次RDB檔案。

增量複製

上面複製過程介紹的最後提到，slave和master斷開了、當slave和master重新連線上之後需要全量複製，這個策略是很不友好的，從Redis2.8開始，Redis提供了增量複製的機制：

增量複製機制

master除了備份RDB檔案之外還會維護者一個環形佇列，以及環形佇列的寫索引和slave同步的全域性offset，環形佇列用於儲存最新的操作資料，當slave和maste斷開重連之後，會把slave維護的offset，也就是上一次同步到哪裡的這個值告訴master，同時會告訴master上次和當前slave連線的master的runid，滿足下面兩個條件，Redis不會全量複製：

1. slave傳遞的run id和master的run id一致。
2. master在環形佇列上可以找到對呀offset的值。

滿足上面兩個條件，Redis就不會全量複製，這樣的好處是大大的提高的效能，不做無效的功。

增量複製是由psync命令實現的，slave可以通過psync命令來讓Redis進行增量複製，當然最終是否能夠增量複製取決於環形佇列的大小和slave的斷線時間長短和重連的這個master是否是之前的master。

環形佇列大小配置引數：

repl-backlog-size 1mb

Redis同時也提供了當沒有slave需要同步的時候，多久可以釋放環形佇列：

repl-backlog-ttl 3600

免持久化複製

免持久化機制官方叫做Diskless Replication，前面基於RDB檔案寫磁碟的方式可以看出，Redis必須要先將RDB檔案寫入磁碟，才進行網路傳輸，那麼為什麼不能直接通過網路把RDB檔案傳送給slave呢？免持久化複製就是做這個事情的，而且在Redis2.8.18版本開始支援，當然目前還是實驗階段。

值得注意的是，一旦基於Diskless Replication的複製傳送開始，新的slave請求需要等待這次傳輸完畢才能夠得到服務。

是否開啟Diskless Replication的開關配置為：

repo-diskless-sync no

為了讓後續的slave能夠儘量趕上本次複製，Redis提供了一個引數配置指定複製開始的時間延遲：

repl-diskless-sync-delay 5

slave只讀模式

自從Redis2.6版本開始，支援對slave的只讀模式的配置，預設對slave的配置也是隻讀。只讀模式的slave將會拒絕客戶端的寫請求，從而避免因為從slave寫入而導致的資料不一致問題。

半同步複製

和MySQL複製策略有點類似，Redis複製本身是非同步的，但也提供了半同步的複製策略，半同步複製策略在Redis複製中的語義是這樣的：

允許使用者給出這樣的配置：在maste接受寫操作的時候，只有當一定時間間隔內，至少有N臺slave線上，否則寫入無效。

上面功能的實現基於Redis下面特性：

1. Redis slaves每秒鐘會ping一次master，告訴master當前slave複製到哪裡了。
2. Redis master會記住每個slave複製到哪裡了。

我們可以通過下面配置來指定時間間隔和N這個值：

min-slaves-to-write <number of slaves>
min-slaves-max-lag <number of seconds>

當配置了上面兩個引數之後，一旦對於一個寫操作沒有滿足上面的兩個條件，則master會報錯，並且將本次寫操作視為無效。這有點像CAP理論中的“C”，即一致性實現，雖然半同步策略不能夠完全保證master和slave的資料一致性，但是相對減少了不一致性的視窗期。

總結

本文在理解Redis複製概念和複製的優缺點的基礎之上介紹了當前Redis複製工作原理以及主要特性，希望能夠幫助大家。