Redis实现之复制（二）

PSYNC命令的实现

在Redis实现之复制（一）这一章中，我们介绍了PSYNC命令和它的工作机制，但一直没有说明PSYNC命令的参数以及返回值。现在，我们了解了运行ID、复制偏移量、复制积压缓冲区以及部分重同步后，我们可以开始了解PSYNC命令的完整细节了.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

图1-12总结了PSYNC命令执行完整重同步和部分重同步时可能遇上的情况

图1-12 PSYNC执行完整重同步和部分重同步时可能遇上的情况

复制的实现

通过向服务器发送SLAVEOF命令，我们可以让一个从服务器去复制一个主服务器：

SLAVEOF <master_ip> <master_port>

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以及端口号6379保存保存到服务器状态的masterhost属性和masterport属性中：

redis.h

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

图1-13展示了SLAVEOF命令执行之后，从服务器的服务器状态：

图1-13 从服务器的服务器状态

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

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，如图1-14所示

图1-14 从服务器创建连向主服务器的套接字

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，如图1-15所示

图1-15 主从服务器之间的关系

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，如图1-16所示

图1-16 从服务器向主服务器发送PING

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

从服务器发送PING命令之后将遇到一下三种情况中的一种：

如果主服务器向从服务器发送了一个命令回复，但从服务器却不能在时限内（timeout)内读取命令回复的内容，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。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
如果主服务器向从服务器返回一个错误，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。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。比如说，如果主服务器正在处理一个超时运行的脚本，那么当服务器向主服务器发送PING命令时，从服务器将收到主服务器返回的BUSY Redisis busy running a script.You can only call SCRIPT KILL or SHUTDOWN NOSAVE.错误
如果从服务器读取到“PONG”回复，表明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下一步

流程图1-17总结了从服务器在发送PING命令时可能遇到的情况，以及各个情况的处理方式

图1-17 从服务器在发送PING命令时可能遇上的情况

步骤4：身份验证

从服务器在接受到主服务器返回到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，不进行身份验证

如果需要进行身份验证，从服务器向主服务器发送AUTH命令，命令参数为从服务器masterauth选项的值。举个栗子，如果从服务器masterauth选项的值为10086，那么从服务器将向主服务器发送命令AUTH 10086，如图1-18所示

图1-18 从服务器向主服务器验证身份

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，且从服务器没有设置masterauth选项，不进行身份验证，主服务器继续执行从服务器发送的命令，复制工作继续进行
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，那么主服务器继续执行从服务器发来的命令，复制工作继续进行。反之主服务器将返回一个invalid password错误
如果主服务器设置了requirepass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。如果主服务器没有设置requirepass, 但从服务器设置了masterauth选项，那么主服务器返回一个no password is set错误

所有错误情况都会令服务器终止目前的复制工作，并从创建套接字开始重新执行复制，知道身份验证通过，或者从服务器放弃执行复制为止

图1-19 从服务器在身份验证阶段可能遇上的情况

步骤5：发送端口信息

在身份验证步骤之后，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。例如在我们的例子中，从服务器的监听端口号为12345，那么从服务器将向主服务器发送命令REPLCONF listening-port 12345，如图1-20所示

图1-20 从服务器向主服务器发送监听端口

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

redis.h

typedef struct redisClient {
    ……
	//从服务器的监听端口号
    int slave_listening_port; 
    ……
} redisClient;

图1-21展示了客户端状态设置slave_listening_port属性之后的样子

图1-21 用客户端状态记录从服务器的监听端口号

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

以下是客户端向例子中主服务器发送INFO replication命令时得到的回复，其中slave0型的port域显示的就是从服务器所对应客户端状态的slave_listening_port属性的值：

127.0.0.1:6379> INFO replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=12345,state=online,offset=1289,lag=1  
master_repl_offset:1289
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:2
repl_backlog_histlen:1288

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。在执行同步操作前，只有从服务器是主服务器的客户端。但是执行同步操作之后，主服务器也会成为从服务器的客户端：

如果PSYNC命令执行的是完整同步操作，那么主服务器只有成为了从服务器的客户端才能将保存在缓冲区中的写命令发送给从服务器执行
如果PSYNC命令执行的是部分同步操作，那么主服务器只有成为了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，或互相向对方返回命令回复，如图1-22所示

图1-22 主从服务器之间互为客户端

正因为主服务器成为了从服务器的客户端，所以主服务器才可以通过发送写命令来改变从服务器的数据库状态，不仅同步操作需要用到这一点，这也是主服务器对从服务器执行命令传播操作的基础

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

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

检测主从服务器的网络连接状态

主从服务器可以通过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：

127.0.0.1:6379> INFO replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=127.0.0.1,port=12345,state=online,offset=211,lag=0  
#刚刚发送过 REPLCONF ACK命令
slave1:ip=127.0.0.1,port=56789,state=online,offset=197,lag=15   
#15秒之前发送过REPLCONF ACK命令
master_repl_offset:211
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:2
repl_backlog_histlen:210

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

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

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

Redis实现之复制（二）

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