《Redis 设计与实现：复制》

1. 旧版复制功能的实现

Redis 的复制功能分为同步（sync）和命令传播（command propagate）两个操作：

• 其中，同步操作用于将从服务器的数据库状态更新至主服务器当前所处的数据库状态。
• 而命令传播操作则用于在主服务器的数据库状态被修改，导致主从服务器的数据库状态出现不一致时，让主从服务器的数据库重新回到一致状态。

1.1 同步

当客户端向从服务器发送 SLAVEOF 命令，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，也即是，将从服务器的数据库状态更新至主服务器当前所处的数据库状态。

从服务器对主服务器的同步操作需要通过向主服务器发送 SYNC 命令来完成，以下是 SYNC 命令的执行步骤：

1. 从服务器向主服务器发送 SYNC 命令。
2. 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写命令。
3. 当主服务器的 BGSAVE 命令执行完毕时，主服务器会将 BGSAVE 命令生成的 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。
4. 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。

1.2 命令传播

在同步操作执行完毕之后，主从服务器两者的数据库将达到一致状态，但这种一致并不是一成不变的——每当主服务器执行客户端发送的写命令时，主服务器的数据库就有可能会被修改，并导致主从服务器状态不再一致。

为了让主从服务器再次回到一致状态，主服务器需要对从服务器执行命令传播操作：主服务器会将自己执行的写命令——也即是造成主从服务器不一致的那条写命令——发送给从服务器执行，当从服务器执行了相同的写命令之后，主从服务器将再次回到一致状态。

2. 旧版复制功能的缺陷

在 Redis 2.8 以前，从服务器对主服务器的复制可以分为以下两种情况：

• 初次复制：从服务器以前没有复制过任何主服务器，或者从服务器当前要复制的主服务器和上一次复制的主服务器不同。
• 断线后重复制：处于命令传播阶段的主从服务器因为网络原因而中断了复制，但从服务器通过自动重连接重新连上了主服务器，并继续复制主服务器。

对于初次复制来说，旧版复制功能能够很好地完成任务，但对于断线后重复制来说，旧版复制功能虽然也能让主从服务器重新回到一致状态，但效率却非常低。

SYNC 命令是一个非常耗费资源的操作，因为每次执行 SYNC 命令，主从服务器需要执行以下操作：

1. 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。
2. 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。
3. 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。

3. 新版复制功能的实现

为了解决旧版复制功能在处理断线重复制情况时的低效问题，Redis 从 2.8 版本开始，使用 PSYNC 命令代替 SYNC 命令来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：

• 其中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。
• 而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。

4. 部分重同步的实现

部分重同步功能由以下三个部分构成：

• 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）。

4.1 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，程序可以很容易地知道主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。
• 相反，如果主从服务器两者的偏移量并不相同，那么说明主从服务器并未处于一致状态。

4.2 复制积压缓冲区

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（FIFO）队列，默认大小为 1 MB。

当主服务器进行命令传播时，它不仅会将写命令发送给所有从服务器，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中的每个字节记录相应的复制偏移量。

当从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复制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。主服务器向从服务器发送 +CONTINUE 回复，表示数据同步将以部分重同步模式来进行。
• 相反，如果 offset 偏移量之后的数据已经不存在于复制积压缓冲区，那么主服务器将对从服务器执行完整重同步操作。

Redis 为复制积压缓冲区设置的默认大小为 1 MB，如果主服务器需要执行大量写命令，又或者主从服务器断线后重连接所需的时间比较长，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的平均时间（以秒计算）；
• 而 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）；

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。

4.3 服务器运行 ID

除了复制偏移量和复制积压缓冲区之外，实现部分重同步还需要用到服务器运行 ID（run 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。

5. PSYNC 命令的实现

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。

6. 复制的实现

6.1 步骤 1：设置主服务器的地址和端口

当客户端向从服务器发送以下命令时：

127.0.0.1:12345> SLAVEOF 127.0.0.1 6379
OK

从服务器首先要做的就是将客户端给定的主服务器 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 属性里面：

struct redisServer {
    // ...
  
    // 主服务器的地址
    char *masterhost;
  
    // 主服务器的端口
    int masterport;
  
    // ...
};

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。

6.2 步骤 2：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。

6.3 步骤3：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。

这个 PING 命令有两个作用：

• 虽然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过任何通信，通过发送 PING 命令可以检查套接字的读写状态是否正常。
• 因为复制工作接下来的几个步骤都必须在主服务器可以正常处理命令请求的状态下才能进行，通过发送 PING 命令可以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：

• 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内读取命令回复的内容（timeout），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。
• 如果主服务器返回一个错误，那么表示主服务器暂时没有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，从服务器将断开并重新创建连向主服务器的套接字。
• 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后续步骤。

6.4 步骤 4：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。

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。否则主服务器将返回一个 invaild password 错误。
• 如果主服务器设置了 requireoass 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，但是从服务器却设置了 materauth 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。

6.5 步骤 5：发送端口信息

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。

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：

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。

6.6 步骤 6：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，才能将保存在复制积压缓冲区中的写命令发送给从服务器执行。

因此，在同步操作执行之后，主从服务器双方都是对方的客户端，它们可以互相向对方发送命令请求，或者互相向对方返回命令回复。

6.6 步骤 7：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。

7. 心跳检测

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。
• 辅助实现 min-slaves 选项。
• 检测命令丢失。

7.1 检测主从服务器的网络连接状态

主从服务器可以通过发送和接收 REPLCONF ACK 命令来检查两者之间的网络连接是否正常：如果主服务器超过一秒钟没有收到从服务器发来的 REPLCONF ACK 命令，那么主服务器就知道主从服务器之间的连接出现问题了。

通过向主服务器发送 INFO replication 命令，在列出的从服务器列表的 lag 一栏中，我们可以看到相应从服务器最后一次向主服务器发送 REPLCONF ACK 命令距离现在过了多少秒。在一般情况下，lag 的值应该在 0 秒或者 1 秒之间跳动，如果超过 1 秒的话，那么说明主从服务器之间的连接出现了故障。

7.2 辅助实现 min-slaves 配置选项

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。举个例子，如果我们向主服务器提供以下设置：

min-slaves-to-write 3
min-slaves-max-lag 10

那么在从服务器的数量少于 3 个，或者三个从服务器的延迟（lag）值都大于或等于 10 秒时，主服务器将拒绝执行写命令，这里的延迟值就是上面提到的 INFO replication 命令的 lag 值。

7.3 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。

主服务器向从服务器补发缺失数据这一操作的原理和部分重同步操作的原理非常相似，它们的区别在于：补发缺失数据操作在主从服务器没有断线的情况下执行，而部分重同步操作则在主从服务器断线并重连之后执行。