Redis多机数据库-数据同步

Redis多机数据库-数据同步

1. Redis的高可靠性

Redis的高可靠性体现在两个方面:

  • 数据尽量少丢失
    • AOF
    • RDB
  • 服务尽量少中断
    • 增加副本冗余量 — 将一份数据同时保存在多个实例上

2. 数据同步 — 主从库模式

  • 主从库之间采用的是读写分离的方式

    • 读操作

      • 主库,从库都可以接收
    • 写操作

      • 首先到主库执行

      • 然后主库将写操作同步给从库

        https://i.loli.net/2021/01/04/8wE4dPDgFxqRX6r.png

        主从读写分离

  • 主从库的好处是修改操作都只会在一个库实现

    • 可以减少加锁,实例间协商这类开销

2.1 主从库之间如何进行第一个同步?

  • 多个Redis实例之间通过replicaof/ slaveof命令形成主库和从库的关系,然后按照三个阶段完成数据的第一次同步:

    https://i.loli.net/2021/01/04/KZemoVB6CFjNlJI.png

    主从首次同步过程

  • 第一阶段

    • 主从库之间建立连接,协商同步

    • 为全量复制做准备

    • 从库和主库建立起连接,并告诉主库即将进行同步,主库确认回复以后,主从库间就可以开始同步了

      • 从库给主库发送psync命令,表示要进行数据同步

      • 主库根据这个命令的参数来启动复制

        • psync命令包含主库的runId和复制进度的offset两个参数
          • runID — Redis实例启动的时候自动随机生成的ID,用来唯一标识当前实例
            • runId很关键,比如从服务器断线重连主服务器以后,会发送之前保存的主服务器的运行ID,如果ID一致,说明前后连接的是同一个主服务器,那么就可以继续尝试执行部分的重同步操作
            • 相反,如果运行ID不同,那么就必须通过RDB完成整个重同步操作
          • offset 此时设为-1,表示第一次复制
      • 主库收到psync命令后,使用FULLRESYNC响应命令,包括了主库的runID还有主库目前的复制进度offset,返回给从库

        • 从库记录下两个参数
      • FULLRESYNC表示第一次复制使用的是全量复制

      • 主库与此同时执行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

        主从服务器同步过程

  • 第二阶段

    • 主库将所有数据同步给从库
    • 从库收到数据后,在本地完成数据加载 — 依赖于内存快照生成的RDB文件
      • 主库执行 bgsave 命令,生成 RDB 文件,接着将文件发给从库。
      • 从库接收到 RDB 文件后,会先清空当前数据库,然后加载 RDB 文件。
        • 这是因为从库在通过 replicaof 命令开始和主库同步前,可能保存了其他数据。为了避免之前数据的影响,从库需要先把当前数据库清空
    • 在做数据同步的过程中,主库不会被阻塞。对于这个过程中接收到的正常请求,写操作会记录在主库的Replication Buffer当中
  • 第三阶段

    • 主库会将第二阶段新收到的修改命令,再发给从库
    • 当主库完成 RDB 文件发送后,就会把此时 replication buffer 中的修改操作发给从库,从库再重新执行这些操作。这样一来,主从库就实现同步了

2.2 主从级联方式分担全量复制时的主库压力

  • 现状/ 问题

    • 一次全量复制主库需要完成两个耗时操作
      • 生成RDB文件和传输RDB文件
    • 如果从库数量很多,而且都要和主库进行全量复制的话,就会导致主库忙于 fork 子进程生成 RDB 文件,进行数据全量同步。fork 这个操作会阻塞主线程处理正常请求,从而导致主库响应应用程序的请求速度变慢。
    • 传输 RDB 文件也会占用主库的网络带宽,同样会给主库的资源使用带来压力
  • 解决方案 — 主从从模式

    • 我们在部署主从集群的时候,可以手动选择一个从库(比如选择内存资源配置较高的从库),用于级联其他的从库。然后,我们可以再选择一些从库(例如三分之一的从库),在这些从库上执行如下命令,让它们和刚才所选的从库,建立起主从关系。replicaof 所选从库的IP 6379

      https://i.loli.net/2021/01/04/eihQpmN6FJdRxLy.png

2.3 突发情况下(暂时断网)的增量复制

  • 旧版redis在断开重连以后从服务器会向主服务器发出SYNC命令,从头开始进行bootstrap,时间会非常长,非常低效

  • 新版本使用PSYNC

    • PSYNC具有full resynchronization, partial resynchronization两种模式
    • partial resync使得断线重连以后可以通过增量来做复制,而不是用RDB重头开始
  • 网络断了以后我们需要一种开销相对合理的复制方式,即增量复制

    • 将主从库断联期间主库收到的命令,同步给从库
  • 增量复制的时候,主从库之间依靠repl_backlog_buffer这个缓冲区来做同步

  • 整个过程如下:

    • 当主从库断连后,主库会把断连期间收到的写操作命令,写入 replication buffer,同时也会把这些操作命令也写入 repl_backlog_buffer 这个缓冲区。

    • repl_backlog_buffer 是一个环形缓冲区,主库会记录自己写到的位置,从库则会记录自己已经读到的位置。

    • 刚开始的时候,主库和从库的写读位置在一起,这算是它们的起始位置。随着主库不断接收新的写操作,它在缓冲区中的写位置会逐步偏离起始位置,我们通常用偏移量来衡量这个偏移距离的大小,对主库来说,对应的偏移量就是 master_repl_offset。主库接收的新写操作越多,这个值就会越大。

    • 同样,从库在复制完写操作命令后,它在缓冲区中的读位置也开始逐步偏移刚才的起始位置,此时,从库已复制的偏移量 slave_repl_offset 也在不断增加。正常情况下,这两个偏移量基本相等。

    • 主从库的连接恢复之后,从库首先会给主库发送 psync 命令,并把自己当前的 slave_repl_offset 发给主库,主库会判断自己的 master_repl_offset 和 slave_repl_offset 之间的差距

    • 在网络断连阶段,主库可能会收到新的写操作命令,所以,一般来说,master_repl_offset 会大于 slave_repl_offset。此时,主库只用把 master_repl_offset 和 slave_repl_offset 之间的命令操作同步给从库就行。就像刚刚示意图的中间部分,主库和从库之间相差了 put d e 和 put d f 两个操作,在增量复制时,主库只需要把它们同步给从库,就行了。

      https://i.loli.net/2021/01/04/w3TLhzRgOH2A65d.png

因为 repl_backlog_buffer 是一个环形缓冲区,所以在缓冲区写满后,主库会继续写入,此时,就会覆盖掉之前写入的操作。如果从库的读取速度比较慢,就有可能导致从库还未读取的操作被主库新写的操作覆盖了,这会导致主从库间的数据不一致。

我们要想办法避免这一情况,一般而言,我们可以调整 repl_backlog_size 这个参数。这个参数和所需的缓冲空间大小有关。缓冲空间的计算公式是:缓冲空间大小 = 主库写入命令速度 * 操作大小 - 主从库间网络传输命令速度 * 操作大小。在实际应用中,考虑到可能存在一些突发的请求压力,我们通常需要把这个缓冲空间扩大一倍,即 repl_backlog_size = 缓冲空间大小 * 2,这也就是 repl_backlog_size 的最终值

  • repl_backlog_buffer
    • 是为了从库断开之后,如何找到主从差异数据而设计的环形缓冲区,从而避免全量同步带来的性能开销
    • 如果从库断开时间太久,repl_backlog_buffer环形缓冲区被主库的写命令覆盖了,那么从库连上主库后只能乖乖地进行一次全量同步,所以repl_backlog_buffer配置尽量大一些,可以降低主从断开后全量同步的概率
    • 而在repl_backlog_buffer中找主从差异的数据后,如何发给从库呢?这就用到了replication buffer
  • replication_buffer
    • Redis和客户端通信也好,和从库通信也好,Redis都需要给分配一个 内存buffer进行数据交互
    • 客户端是一个client,从库也是一个client,我们每个client连上Redis后,Redis都会分配一个client buffer,所有数据交互都是通过这个buffer进行的
    • Redis先把数据写到这个buffer中,然后再把buffer中的数据发到client socket中再通过网络发送出去,这样就完成了数据交互。
    • 所以主从在增量同步时,从库作为一个client,也会分配一个buffer,只不过这个buffer专门用来传播用户的写命令到从库,保证主从数据一致,我们通常把它叫做replication buffer
    • 这个buffer需要做大小的限制
      • 如果主从在传播命令时,因为某些原因从库处理得非常慢,那么主库上的这个buffer就会持续增长,消耗大量的内存资源,甚至OOM
      • 所以Redis提供了client-output-buffer-limit参数限制这个buffer的大小,如果超过限制,主库会强制断开这个client的连接,也就是说从库处理慢导致主库内存buffer的积压达到限制后,主库会强制断开从库的连接,此时主从复制会中断,中断后如果从库再次发起复制请求,那么此时可能会导致恶性循环,引发复制风暴,这种情况需要格外注意。

2.4 主从全量同步 RDB vs AOF

1、RDB文件内容是经过压缩的二进制数据(不同数据类型数据做了针对性优化),文件很小。而AOF文件记录的是每一次写操作的命令,写操作越多文件会变得很大,其中还包括很多对同一个key的多次冗余操作。在主从全量数据同步时,传输RDB文件可以尽量降低对主库机器网络带宽的消耗,从库在加载RDB文件时,一是文件小,读取整个文件的速度会很快,二是因为RDB文件存储的都是二进制数据,从库直接按照RDB协议解析还原数据即可,速度会非常快,而AOF需要依次重放每个写命令,这个过程会经历冗长的处理逻辑,恢复速度相比RDB会慢得多,所以使用RDB进行主从全量同步的成本最低。

2、假设要使用AOF做全量同步,意味着必须打开AOF功能,打开AOF就要选择文件刷盘的策略,选择不当会严重影响Redis性能。而RDB只有在需要定时备份和主从全量同步数据时才会触发生成一次快照。而在很多丢失数据不敏感的业务场景,其实是不需要开启AOF的。

3. 复制过程的具体实现

  • 设置主服务器的地址和端口
  • 建立套接字连接
    • 从服务器根据命令所设置的IP和端口,创建连向主服务器的套接字连接
    • 如果连接成功,会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
    • 从服务器这个时候相当于主服务器的客户端
  • 建立完成以后,从PING主
    • 检查套接字读写正常
    • 检查主服务器能否正常处理命令请求
  • 身份验证
    • masterauth
  • 验证成功以后从服务器执行命令 REPLCONF listerning-port <port-numer> 向主服务器发送从服务器的监听端口号
  • 主服务器接收到以后,会将端口号记录在从服务器所对应的客户端状态的属性当中 slave_listening_port
  • 同步
    • 从向主发PSYNC命令,执行同步操作
  • 命令传播

Reference

  1. 极客时间
  2. redis设计与实现

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文章标题:Redis多机数据库-数据同步

文章字数:3.1k

本文作者:Leilei Chen

发布时间:2021-07-04, 20:00:14

最后更新:2021-07-04, 20:01:36

原始链接:https://www.llchen60.com/Redis%E5%A4%9A%E6%9C%BA%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%BA%93-%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%90%8C%E6%AD%A5/

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