Redis主从握手流程,你真的了解了吗?

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【原创:梁国斌】

Redis是开源的key-value存储系统,可作为数据库、缓存、消息组件。

Redis的作者是Salvatore Sanfilippo(网名为antirez),他在2009年开发完成并开源了Redis。

Redis由于性能极高、功能强大,迅速在业界流行,现已成为高并发系统中最常用的组件之一。

Redis提供了多种类型的数据结构,如字符串(String)、散列(Hash)、列表(List)、集合(Set)、有序集合(Sorted Set)等。

Redis还是分布式系统,主从集群可以实现数据热备份,哨兵(Sentinel)机制可以保证主从集群高可用,Cluster集群则提供了水平扩展的能力。

Redis还提供了持久化、Lua脚本、Module模块、Stream消息流、Tracking机制等一系统强大功能,适用于各种业务场景。

Redis是一个典型的“小而美”的程序。

Redis实现简单,源码非常优雅简洁,阅读起来并不吃力,而且Redis功能齐全,涵盖了数据存储、分布式、消息流等众多特性,非常值得深入学习。

Redis中的一个重要概念就是主从复制机制。

下面详细分析Redis主从复制机制中主从握手的过程。

Redis主从复制机制中有两个角色:主节点与从节点。

主节点处理用户请求,并将数据复制给从节点。

主从复制机制主要有以下作用:

(1)数据冗余,将数据热备份到从节点,即使主节点由于磁盘损坏丢失数据,从节点依然保留数据副本。

(2)读/写分离,可以由主节点提供写服务,从节点提供读服务,提高Redis服务整体吞吐量。

(3)故障恢复,主节点故障下线后,可以手动将从节点切换为主节点,继续提供服务。

(4)高可用基础,主从复制机制是Sentinel和Cluster机制的基础,Sentinel和Cluster都实现了故障转移,即主节点故障停止后,Redis负责选择一个从节点切换为主节点,继续提供服务。

下面将主从复制流程分为三个阶段。

(1)握手阶段:主从连接成功后,从节点需要将自身信息(如IP地址、端口等)发送给主节点,以便主节点能认识自己。

(2)同步阶段:从节点连接主节点后,需要先同步数据,数据达到一致(或者只有最新的变更不一致)后才进入复制阶段。

Redis支持两种同步机制:

全量同步:从节点发送命令PSYNC ? -1,要求进行全量同步,主节点返回响应+FULLRESYNC,表明同意全量同步。随后,主节点生成RDB数据并发送给从节点。这种方式常用于新的从节点首次同步数据。

部分同步:从节点发送命令PSYNC replid offset,要求进行部分同步,主节点响应+CONTINUE,表明同意部分同步。主节点只需要把复制积压区中offset偏移量之后的命令发送给从节点即可(主节点会将执行的写命令都写入复制积压区)。这种方式常用于主从连接断开重连时同步数据。如果offset不在复制积压区中,那么主节点也会返回+FULLRESYNC,要求进行全量同步。

(3)复制阶段:主节点在运行期间,将执行的写命令传播给从节点,从节点接收并执行这些命令,从而达到复制数据的效果。Redis使用的是异步复制,主节点传播命令后,并不会等待从节点返回ACK确认。异步复制的优点是低延迟和高性能,缺点是可能在短期内主从节点数据不一致。

本文中指的命令,包含命令名及执行命令的参数。

PSYNC命令涉及以下属性:

server.master_repl_offset:记录当前服务器已执行命令的偏移量。

server.replid:40位十六进制的随机字符串,在主节点中是自身ID,在从节点中记录的是主节点ID。

server.replid2:用于主节点,存放上一个主节点ID。

server.repl_backlog:复制积压区,主节点将最近执行的写命令写入复制积压区,用于实现部分同步。

下面介绍一下Redis主从握手流程。

主从复制的机制是由从节点发起流程,我们可以发送REPLICAOF命令到某个服务器,要求它成为指定服务器的从节点:

或者在配置文件中添加配置REPLICAOF

,这样Redis服务器启动后将成为指定服务器的从节点。

下面以从节点的视角,分析主从握手的过程。

从节点握手阶段涉及以下属性。

server.repl_state:用于从节点,标志从节点当前复制状态。有如下值:

REPL_STATE_NONE:无主从复制关系。

REPL_STATE_CONNECT:待连接。

REPL_STATE_CONNECTING:正在连接。

…(部分握手状态并没有列出)

REPL_STATE_TRANSFER:从节点正在接收RDB数据。

REPL_STATE_CONNECTED:已连接,主从同步完成。

从节点使用replicaofCommand函数处理REPLICAOF命令。

该函数执行如下逻辑:

(1)如果处理的命令是REPLICAOF NO ONE,则将当前服务器转换为主节点,取消原来的主从复制关系,退出函数。

(2)调用replicationSetMaster函数,与给定服务器建立主从复制关系。

另外,我们在配置文件中配置REPLICAOF

,Redis加载该配置,也会将server.repl_state设置为REPL_STATE_CONNECT状态(config.c)。

从节点server.repl_state进入REPL_STATE_CONNECT状态后,主从复制流程已经开始。

serverCron时间事件负责对REPL_STATE_CONNECT状态进行处理:

调用connectWithMaster函数进行处理,该函数负责建立主从网络连接:

【1】创建一个Socket套接字。connCreateTLS函数创建TLS连接,connCreateSocket函数创建TCP连接,它们都返回套接字文件描述符。该连接是主从节点网络通信的连接,本书称之为主从连接。

【2】connConnect函数负责连接到主节点,并且在连接成功后调用syncWithMaster函数。

【3】从节点server.repl_state进入REPL_STATE_CONNECTING状态。

网络连接成功后,从节点调用syncWithMaster函数,进入握手阶段:

【1】根据server.repl_state状态,执行对应操作。

从节点发送给主节点的信息,主节点会记录在从节点客户端,并在INFO命令中输出这些信息。另外,Sentinel模块需要从主节点INFO命令响应中获取这些从节点信息。

【2】执行到这里,主从握手阶段已经完成。server.repl state必须处于REPL_STATE RECEIVE_PSYNC状态,否则报错。

下面使用Linux tcpdump工具抓取主从连接报文,分析主从节点握手阶段的通信内容(主节点端口为6000):

tcpdump支持RESP协议,最后一个选项-T RESP要求tcpdump以RESP协议格式解析报文。

其中6000端口为主节点端口,60374端口为从节点通信端口。从tcpdump的输出可以清晰地看到主从节点在握手阶段的通信内容。

以主节点视角分析握手阶段,主节点不断处理来自从节点的命令(包括PING、AUTH、REPLCONF),感兴趣的读者可自行阅读代码。

Redis主从握手流程到此就分析完毕了。

本内容摘自 《Redis核心原理与实践》 ,想了解更多关于Redis的内容,欢迎阅读此书。

《Redis核心原理与实践》

梁国斌 著

新版本:基于Redis 6.0.9,分析了Redis新特性,如Redis 6的ACL、Tracking等机制。

重实践:本书在对应知识点的基础上提供了详细的应用示例,帮助读者循序渐进、由浅到深地学习和理解Redis新特性。

易掌握:本书总结了Redis各个核心功能的实现原理,并以适量图文,对Redis源码及其实现原理进行详细分析,向读者展示Redis核心功能的设计思想和实现流程。

可扩展:本书由Redis延展出了两方面内容:一是Redis中使用的UNIX机制,二是如何通过Redis实现一个分布式系统,主要是Sentinel、Cluster机制的实现原理。

本书深入地分析了Redis核心功能的内部机制与实现方式,大部分内容源自对Redis源码的分析,并从中总结出实现原理。通过阅读本书,读者可以快速、轻松地了解Redis的内部运行机制。

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