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Redis新版复制功能实现的创新之处

2023-04-022.9k 阅读

Redis 复制功能概述

在深入探讨 Redis 新版复制功能的创新点之前，先简要回顾一下 Redis 复制的基本概念。Redis 复制是一种用于创建数据副本的机制，它允许将一个 Redis 实例（主节点，master）的数据复制到一个或多个其他实例（从节点，slave）。这种机制在很多场景下都非常有用，例如提高读性能，因为多个从节点可以分担读请求；以及增强数据的可用性，当主节点出现故障时，从节点可以提升为主节点继续提供服务。

传统的 Redis 复制过程大致如下：从节点向主节点发送 SYNC 命令，主节点收到后会执行 BGSAVE 命令生成 RDB 文件，同时将在此期间收到的写命令缓存起来。RDB 文件生成完毕后，主节点将其发送给从节点，从节点接收到 RDB 文件后加载数据，然后主节点将缓存的写命令发送给从节点，从节点执行这些命令，从而完成数据同步。

旧版复制功能的不足

  1. 全量复制开销大：每次从节点与主节点进行同步时，无论数据变化量大小，都需要进行全量复制，即主节点生成完整的 RDB 文件并发送给从节点。这在数据量较大时，会占用大量的网络带宽和主从节点的 CPU 资源。例如，假设一个 Redis 实例存储了 10GB 的数据，每次同步都要传输这 10GB 的 RDB 文件，不仅同步时间长，而且可能会影响主节点对外提供服务的性能。
  2. 网络中断恢复问题：在复制过程中，如果网络出现中断，从节点重新连接主节点后，默认情况下会再次发起全量复制。即使网络中断时间很短，在中断期间主节点的数据变化量很少，也依然要进行全量复制，这显然是不合理的，造成了不必要的资源浪费。

Redis 新版复制功能的创新点

  1. 部分复制
    • 原理：Redis 新版引入了部分复制功能，其核心是主节点会为每个从节点维护一个复制偏移量（replication offset）。主节点在处理写命令时，会将每个写命令的字节数累加到自己的复制偏移量中，同时也会将这个偏移量发送给从节点，从节点接收写命令并执行后，也会更新自己的复制偏移量。当网络中断后从节点重新连接主节点时，从节点会向主节点发送自己的复制偏移量，主节点会判断这个偏移量是否在自己的复制积压缓冲区（replication backlog buffer）内。如果在，主节点就只需要将从节点缺少的那部分写命令发送给从节点，从而完成部分复制，而不需要进行全量复制。
    • 代码示例：虽然 Redis 是用 C 语言实现的，但我们可以通过伪代码来大致理解部分复制的过程。假设主节点代码如下：
// 主节点维护的复制偏移量
long masterReplicationOffset = 0;
// 复制积压缓冲区
char replicationBacklogBuffer[BACKLOG_BUFFER_SIZE];
// 主节点处理写命令的函数
void processWriteCommand(char* command) {
    // 增加复制偏移量
    masterReplicationOffset += strlen(command);
    // 将写命令追加到复制积压缓冲区
    appendToBacklogBuffer(command);
    // 发送写命令给所有从节点
    sendCommandToSlaves(command);
}
// 从节点连接主节点时的处理函数
void handleSlaveConnect(Slave* slave) {
    // 发送主节点当前的复制偏移量给从节点
    sendReplicationOffsetToSlave(slave, masterReplicationOffset);
}

假设从节点代码如下：

// 从节点维护的复制偏移量
long slaveReplicationOffset = 0;
// 从节点连接主节点后接收复制偏移量的函数
void receiveReplicationOffset(long offset) {
    slaveReplicationOffset = offset;
}
// 从节点接收主节点写命令的函数
void receiveWriteCommand(char* command) {
    // 执行写命令
    executeCommand(command);
    // 更新从节点的复制偏移量
    slaveReplicationOffset += strlen(command);
}
// 从节点网络中断后重新连接主节点的处理函数
void reconnectToMaster() {
    // 向主节点发送自己的复制偏移量
    sendReplicationOffsetToMaster(slaveReplicationOffset);
    // 接收主节点返回的部分写命令并执行
    receivePartialCommandsAndExecute();
}
  1. 无盘复制
    • 原理：在旧版的全量复制中，主节点需要先执行 BGSAVE 命令生成 RDB 文件到磁盘，然后再将文件发送给从节点。而新版的无盘复制（Diskless Replication）则直接将 RDB 数据通过网络发送给从节点，跳过了将 RDB 文件写入磁盘这一步骤。主节点在创建 RDB 文件时，不再将数据写入磁盘文件，而是在内存中生成 RDB 格式的数据，并直接通过网络套接字发送给从节点。这样做有两个主要优点，一是避免了磁盘 I/O 操作，对于一些磁盘性能较差的服务器，这可以显著提高复制速度；二是减少了全量复制过程中主节点的磁盘空间占用，因为不需要在磁盘上生成临时的 RDB 文件。
    • 代码示例：同样以伪代码展示无盘复制过程。主节点代码如下：
// 无盘复制生成 RDB 数据并发送给从节点的函数
void disklessReplication(Slave* slave) {
    // 在内存中生成 RDB 格式的数据
    char* rdbData = generateRDBDataInMemory();
    // 通过网络发送 RDB 数据给从节点
    sendRDBDataToSlave(slave, rdbData);
    // 释放内存中的 RDB 数据
    free(rdbData);
}

从节点代码如下：

// 从节点接收主节点发送的 RDB 数据并加载的函数
void receiveDisklessRDBDataAndLoad() {
    // 接收主节点发送的 RDB 数据
    char* rdbData = receiveRDBDataFromMaster();
    // 加载 RDB 数据
    loadRDBData(rdbData);
    // 释放内存中的 RDB 数据
    free(rdbData);
}
  1. 复制缓冲区优化
    • 原理：Redis 新版对复制积压缓冲区进行了优化。复制积压缓冲区是一个环形缓冲区，主节点在处理写命令时，将写命令追加到这个缓冲区中。当从节点需要进行部分复制时，主节点根据从节点发送的复制偏移量，从这个缓冲区中获取相应的写命令发送给从节点。优化方面，一是对缓冲区的大小进行了更合理的动态调整。旧版中缓冲区大小通常是固定的，可能无法满足某些场景下的需求。新版中，Redis 会根据主节点的写负载情况动态调整缓冲区大小。例如，如果主节点写操作频繁，缓冲区会适当增大，以容纳更多的写命令；如果写操作较少，缓冲区会相应缩小，减少内存占用。二是对缓冲区的管理算法进行了改进，提高了查找和获取写命令的效率，使得部分复制过程更加高效。
    • 代码示例：以下是关于复制积压缓冲区动态调整大小的伪代码。主节点代码如下：
// 复制积压缓冲区
char replicationBacklogBuffer[BACKLOG_BUFFER_SIZE];
// 当前缓冲区大小
int currentBacklogBufferSize = BACKLOG_BUFFER_SIZE;
// 写命令处理函数
void processWriteCommand(char* command) {
    // 写命令字节数
    int commandSize = strlen(command);
    // 如果缓冲区剩余空间不足
    if (getFreeSpaceInBacklogBuffer() < commandSize) {
        // 扩大缓冲区
        expandBacklogBuffer();
    }
    // 将写命令追加到缓冲区
    appendToBacklogBuffer(command);
    // 发送写命令给从节点
    sendCommandToSlaves(command);
}
// 扩大复制积压缓冲区的函数
void expandBacklogBuffer() {
    // 新的缓冲区大小
    int newSize = currentBacklogBufferSize * 2;
    char* newBuffer = (char*)malloc(newSize);
    // 复制原缓冲区数据到新缓冲区
    memcpy(newBuffer, replicationBacklogBuffer, currentBacklogBufferSize);
    // 释放原缓冲区
    free(replicationBacklogBuffer);
    // 更新缓冲区指针和大小
    replicationBacklogBuffer = newBuffer;
    currentBacklogBufferSize = newSize;
}
  1. 心跳机制改进
    • 原理：心跳机制在 Redis 复制中用于主从节点之间保持连接和传递状态信息。新版的心跳机制更加高效和稳定。主从节点之间会定期发送心跳包，除了确认彼此的存活状态外，还会携带一些重要信息，如主节点的复制偏移量、从节点的复制进度等。在旧版中，心跳包的内容和发送频率可能不够灵活，无法满足复杂网络环境下的需求。新版中，心跳包的发送频率可以根据网络状况进行动态调整。例如，在网络稳定时，心跳包发送频率可以适当降低，减少网络带宽占用；在网络不稳定时，增加心跳包发送频率，以便更快地检测到连接异常。同时，心跳包携带的信息更加丰富，使得主从节点能够更好地了解彼此的状态，从而更有效地进行复制管理。
    • 代码示例：以下是关于心跳机制中动态调整发送频率的伪代码。主节点代码如下：
// 心跳包发送频率（毫秒）
int heartbeatInterval = DEFAULT_HEARTBEAT_INTERVAL;
// 网络状态检测函数
bool isNetworkStable() {
    // 检测网络延迟、丢包等情况
    // 返回网络是否稳定
}
// 定时发送心跳包的函数
void sendHeartbeat() {
    if (isNetworkStable()) {
        // 如果网络稳定，适当增加心跳间隔
        heartbeatInterval += HEARTBEAT_INTERVAL_INCREMENT;
    } else {
        // 如果网络不稳定，减小心跳间隔
        heartbeatInterval -= HEARTBEAT_INTERVAL_DECREMENT;
        if (heartbeatInterval < MIN_HEARTBEAT_INTERVAL) {
            heartbeatInterval = MIN_HEARTBEAT_INTERVAL;
        }
    }
    // 发送心跳包，携带主节点复制偏移量等信息
    sendHeartbeatPacket(masterReplicationOffset);
    // 设置下一次发送心跳包的定时器
    setHeartbeatTimer(heartbeatInterval);
}

从节点代码如下：

// 接收主节点心跳包的函数
void receiveHeartbeatPacket(long masterOffset) {
    // 更新从节点对主节点复制偏移量的认知
    updateMasterReplicationOffset(masterOffset);
    // 回复心跳响应包
    sendHeartbeatResponse();
}
  1. 多线程复制
    • 原理：Redis 新版引入了多线程复制的概念，以提高复制过程中的数据传输效率。在传统的复制过程中，主节点向从节点发送数据是单线程操作，这在网络带宽较高或者有多个从节点的情况下，可能会成为性能瓶颈。新版中，主节点可以启用多线程来处理向从节点的数据发送任务。例如，将不同从节点的数据发送任务分配到不同的线程中，这样可以充分利用多核 CPU 的优势，提高整体的数据传输速度。同时，为了保证数据的一致性和顺序性，多线程复制机制会对写命令进行有序处理，确保从节点接收到的命令顺序与主节点执行的顺序一致。
    • 代码示例：以下是一个简单的多线程复制伪代码示例。假设使用 pthread 库（适用于 Linux 系统）。主节点代码如下：
#include <pthread.h>
// 从节点结构体
typedef struct {
    Slave* slave;
} SlaveThreadArgs;
// 线程函数，负责向单个从节点发送数据
void* sendDataToSlaveThread(void* args) {
    SlaveThreadArgs* slaveArgs = (SlaveThreadArgs*)args;
    Slave* slave = slaveArgs->slave;
    // 循环发送数据给从节点
    while (true) {
        char* command = getNextCommandToSend(slave);
        if (command == NULL) {
            break;
        }
        sendCommandToSlave(slave, command);
    }
    pthread_exit(NULL);
}
// 启动多线程向从节点发送数据的函数
void startMultiThreadedReplication(Slave** slaves, int slaveCount) {
    pthread_t threads[slaveCount];
    SlaveThreadArgs args[slaveCount];
    for (int i = 0; i < slaveCount; i++) {
        args[i].slave = slaves[i];
        pthread_create(&threads[i], NULL, sendDataToSlaveThread, &args[i]);
    }
    for (int i = 0; i < slaveCount; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
}
  1. 基于 PSYNC2 的增强功能
    • 原理：PSYNC2 是 Redis 新版复制协议中的一个重要改进。它在 PSYNC（旧版部分复制协议）的基础上，增加了更多的功能和优化。例如，PSYNC2 支持主节点在进行角色切换（如从节点提升为主节点）后，能够更好地与其他从节点进行同步。当一个从节点提升为主节点后，它可以利用 PSYNC2 协议快速将自己的状态同步给其他从节点，避免了一些复杂的重新同步过程。同时，PSYNC2 对复制过程中的错误处理进行了增强，能够更准确地检测和处理复制过程中出现的各种错误，如数据校验错误、网络超时等，提高了复制的稳定性和可靠性。
    • 代码示例：以下是关于 PSYNC2 协议中从节点提升为主节点后同步数据给其他从节点的伪代码。提升后的主节点代码如下：
// 从节点提升为主节点后同步数据给其他从节点的函数
void syncDataWithNewSlavesAfterPromotion() {
    // 获取自己的复制偏移量和 runID
    long masterReplicationOffset = getReplicationOffset();
    char* masterRunID = getRunID();
    // 遍历所有新连接的从节点
    for (Slave* slave : newSlaves) {
        // 发送 PSYNC2 命令给从节点，携带自己的偏移量和 runID
        sendPSYNC2Command(slave, masterRunID, masterReplicationOffset);
        // 接收从节点的响应
        PSYNC2Response response = receivePSYNC2Response(slave);
        if (response == PSYNC2_FULL_RESYNC_NEEDED) {
            // 如果从节点需要全量同步，进行全量复制流程
            performFullReplication(slave);
        } else if (response == PSYNC2_PARTIAL_RESYNC_POSSIBLE) {
            // 如果可以进行部分同步，进行部分复制流程
            performPartialReplication(slave);
        }
    }
}
  1. 数据一致性保证
    • 原理：在 Redis 新版复制功能中，通过多种机制来保证数据一致性。首先，部分复制功能确保了在网络中断等情况下，从节点能够准确地恢复与主节点的数据同步，减少数据丢失或不一致的可能性。其次，在多线程复制过程中，通过对写命令的有序处理，保证从节点接收到的命令顺序与主节点执行顺序一致，从而维护数据的一致性。此外，心跳机制不仅用于检测连接状态，还会在心跳包中传递主从节点的复制偏移量等信息，使得主从节点能够实时了解彼此的数据同步进度，及时发现并纠正可能出现的数据不一致问题。
    • 代码示例：以多线程复制中保证命令顺序为例，以下是伪代码。主节点代码如下：
// 写命令队列
Queue writeCommandQueue;
// 写命令处理函数
void processWriteCommand(char* command) {
    // 将写命令放入队列
    enqueue(&writeCommandQueue, command);
    // 通知工作线程有新命令
    pthread_cond_signal(&commandAvailableCondition);
}
// 工作线程函数，从队列中取出命令并发送给从节点
void* workerThread(void* args) {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&commandQueueMutex);
        while (isEmpty(&writeCommandQueue)) {
            pthread_cond_wait(&commandAvailableCondition, &commandQueueMutex);
        }
        char* command = dequeue(&writeCommandQueue);
        pthread_mutex_unlock(&commandQueueMutex);
        // 发送命令给所有从节点
        sendCommandToSlaves(command);
    }
    pthread_exit(NULL);
}
  1. 对高可用架构的支持优化
    • 原理：Redis 新版复制功能对高可用架构的支持进行了优化。在 Sentinel 或 Cluster 等高可用架构中，复制功能的稳定性和效率至关重要。新版通过改进的部分复制、无盘复制、多线程复制等功能，提高了在高可用环境下主从节点之间的数据同步速度和可靠性。例如，在 Sentinel 架构中，当主节点发生故障，Sentinel 会将一个从节点提升为主节点，此时新版复制功能能够让新主节点快速与其他从节点完成同步，减少服务中断时间。在 Cluster 架构中，各个节点之间的复制和数据同步也因为这些创新功能而更加高效，确保整个集群的数据一致性和可用性。
    • 代码示例：以 Sentinel 架构中主节点故障转移后新主节点与从节点同步为例，以下是伪代码。新主节点代码如下：
// Sentinel 检测到主节点故障，将本节点提升为主节点后执行的函数
void afterPromotionBySentinel() {
    // 初始化复制相关参数
    initializeReplication();
    // 通知所有从节点进行同步
    for (Slave* slave : slaves) {
        sendReplicationCommand(slave);
    }
    // 等待从节点完成同步
    waitForSlavesToSync();
    // 开始对外提供服务
    startServingClients();
}

从节点代码如下：

// 从节点接收到新主节点的同步命令后的处理函数
void receiveReplicationCommandFromNewMaster() {
    // 进行全量或部分复制流程
    if (isFullReplicationNeeded()) {
        performFullReplication();
    } else {
        performPartialReplication();
    }
    // 向新主节点汇报同步完成
    reportSyncCompletionToNewMaster();
}

通过上述这些创新点，Redis 新版复制功能在性能、可靠性、数据一致性以及对高可用架构的支持等方面都有了显著提升，能够更好地满足现代应用对于数据存储和复制的需求。无论是在小型应用还是大型分布式系统中，新版复制功能都为 Redis 的使用提供了更强大的保障。