[021-15-002].并发能力问题的解决方案-搭建主从架构

我的后端学习大纲
 我的Redis学习大纲

1.面试：请介绍下Redis的主从架构：

1.1.什么是主从复制

1.单节点Redis的并发能力是有限的，要进一步提高并发能力，就可以使用主从模式，实现读写分离
2.主从复制就是：主机数据更新后根据配置和策略， 自动同步到备机的master/slaver机制，Master以写为主，Slave以读为主

1.2.主从复制可以干什么

1.下图是一主三从的环境，实现了读写分离
2.一主多从可以实现容灾的快速恢复，当一台从机挂掉，可以使用其他从机顶替
3.上述架构，就会有一个疑问:就是只有一台主机，那假设这个主机挂掉，那岂不是凉了，能不能主机也是多台？？？答案是不可以，因为领导只能有一个，要不就领导互相打仗，有矛盾，所以不可以~！那怎么解决呢，可以使用集群的方式来解决

2.Redis主从架构搭建

2.1.安装3台Redis:

1.我们搭建的主从结构如图：为了省资源，这里就在一台机器上使用不同端口来搭建主从复制架构：
2.共包含三个节点，一个主节点，两个从节点：这里我们会在同一台虚拟机中开启3个redis实例，模拟主从架构，信息如下：

IP	PORT	角色
192.168.150.101	7001	master
192.168.150.101	7002	slave
192.168.150.101	7003	slave

3.准备实例和配置：
- 要在同一台虚拟机开启3个实例，必须准备三份不同的配置文件和目录，配置文件所在目录也就是工作目录。
4.创建目录：我们创建三个文件夹，名字分别叫7001、7002、7003：

shell 复制代码

# 进入/tmp目录
cd /tmp
# 创建目录
mkdir 7001 7002 7003

如图：

5.恢复原始配置：修改redis-6.2.4/redis.conf文件，将其中的持久化模式改为默认的RDB模式，AOF保持关闭状态(后面学习了主从同步原理后，就明白这里为何这么设置)

shell 复制代码

# 开启RDB
# save ""
save 3600 1
save 300 100
save 60 10000
# 关闭AOF
appendonly no

6.拷贝配置文件到每个实例目录：然后将redis-6.2.4/redis.conf文件拷贝到三个目录中（在/tmp目录执行下列命令）：

shell 复制代码

# 方式一：逐个拷贝
cp redis-6.2.4/redis.conf 7001
cp redis-6.2.4/redis.conf 7002
cp redis-6.2.4/redis.conf 7003
# 方式二：管道组合命令，一键拷贝
echo 7001 7002 7003 | xargs -t -n 1 cp redis-6.2.4/redis.conf

7.修改每个实例的端口、工作目录：修改每个文件夹内的配置文件，将端口分别修改为7001、7002、7003，将rdb文件保存位置都修改为自己所在目录（在/tmp目录执行下列命令）：

shell 复制代码

sed -i -e 's/6379/7001/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7001\//g' 7001/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7002/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7002\//g' 7002/redis.conf
sed -i -e 's/6379/7003/g' -e 's/dir .\//dir \/tmp\/7003\//g' 7003/redis.conf

8.修改每个实例的声明IP:虚拟机本身有多个IP，为了避免将来混乱，我们需要在redis.conf文件中指定每一个实例的绑定ip信息，格式如下：

shell 复制代码

# redis实例的声明 IP
replica-announce-ip 192.168.150.101

9.因为每个目录都要改，我使用sed命令，进行快速更改，一键完成修改（在/tmp目录执行下列命令）：

shell 复制代码

# 逐一执行
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7001/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7002/redis.conf
sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' 7003/redis.conf
# 或者一键修改
printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t sed -i '1a replica-announce-ip 192.168.150.101' {}/redis.conf

10.启动:为了方便查看日志，我们打开3个ssh窗口，分别启动3个redis实例，启动命令：

shell 复制代码

# 第1个
redis-server 7001/redis.conf
# 第2个
redis-server 7002/redis.conf
# 第3个
redis-server 7003/redis.conf

11.启动后,使用工具的Multily窗口形式来查看：
12.如果要一键停止，可以运行下面命令：

shell 复制代码

printf '%s\n' 7001 7002 7003 | xargs -I{} -t redis-cli -p {} shutdown

2.2.开启主从关系:

1.现在三个实例还没有任何关系，要配置主从可以使用replicaof 或者slaveof（5.0以前）命令，有临时和永久两种模式：
- 方式1：修改配置文件（永久生效）：在redis.conf配置文件中添加一行配置：slaveof <masterip> <masterport>
- 方式2：使用redis-cli客户端连接到redis服务，执行slaveof命令（重启后失效）：
2.注意：在5.0以后新增命令replicaof，与salveof效果一致。
- 这里我们为了演示方便，使用方式二进行临时配置。
- 通过redis-cli命令连接7002，执行下面命令：

shell 复制代码

# 连接 7002
redis-cli -p 7002
# 执行slaveof
slaveof 192.168.150.101 7001

3.通过redis-cli命令连接7003，执行下面命令：

shell 复制代码

# 连接 7003
redis-cli -p 7003
# 执行slaveof
slaveof 192.168.150.101 7001

4.然后连接 7001节点，查看集群状态：

sh 复制代码

# 连接 7001
redis-cli -p 7001
# 查看状态
info replication

5.结果：

2.3.测试:

1.执行下列操作以测试：
- 利用redis-cli连接7001，执行set num 123
- 利用redis-cli连接7002，执行get num，再执行set num 666
- 利用redis-cli连接7003，执行get num，再执行set num 888
2.可以发现，只有在7001这个master节点上可以执行写操作，7002和7003这两个slave节点只能执行读操作;

3.面试：主从复制的原理：

3.1.全量同步：

a.全量同步流程：

slave节点请求增量同步
master节点判断replid，发现不一致，拒绝增量同步，进行全量同步
master将完整内存数据生成RDB，发送RDB到slave
slave清空本地数据，加载master的RDB
master将RDB期间的命令记录在repl_baklog，并持续将log中的命令发送给slave
slave执行接收到的命令，保持与master之间的同步

b.全量同步解析图：

c.master如何得知salve是第一次来连接呢？

有几个概念，可以作为判断依据：

1.全量复制：而slave服务在接收到数据库文件数据后，将其存盘并加载到内存中。
2.增量复制：Master继续将新的所有收集到的修改命令依次传给slave,完成同步
3.只要是重新连接master,一次完全同步（全量复制)将被自动执行
4.Replication Id：简称replid，是数据集的标记，id一致则说明是同一数据集。每一个master都有唯一的replid，slave则会继承master节点的replid
5.offset ：偏移量，随着记录在repl_baklog中的数据增多而逐渐增大。slave完成同步时也会记录当前同步的offset。如果slave的offset小于master的offset，说明slave数据落后于master，需要更新。

是否全量同步判断过程：

1.因此slave做数据同步，必须向master声明自己的replication id 和offset，master才可以判断到底需要同步哪些数据。
2.因为slave原本也是一个master，有自己的replid和offset，当第一次变成slave，与master建立连接时，发送的replid和offset是自己的replid和offset。
3.master判断发现slave发送来的replid与自己的不一致，说明这是一个全新的slave，就知道要做全量同步了。
4.master会将自己的replid和offset都发送给这个slave，slave保存这些信息。以后slave的replid就与master一致了。因此，master判断一个节点是否是第一次同步的依据，就是看replid是否一致

3.2.增量同步

a.增量同步的说明：

1.全量同步需要先做RDB，然后将RDB文件通过网络传输个slave，成本太高了。因此除了第一次做全量同步，其它大多数时候slave与master都是做增量同步
2.1.增量同步就是只更新slave与master存在差异的部分数据

b.增量同步流程:

1.主从第一次同步是全量同步，但是如果slave重启后同步，就是执行增量同步了

c.master怎么知道slave与自己的数据差异：

1.master要想知道slave与自己的数据差异在哪，这就要说到全量同步时的repl_baklog文件
2.repl_baklog文件：这个文件是一个固定大小的数组，只不过数组是环形，也就是说角标到达数组末尾后，会再次从0开始读写，这样数组头部的数据就会被覆盖。
3.repl_baklog中会记录Redis处理过的命令日志及offset，包括master当前的offset，和slave已经拷贝到的offset。
4.slave与master的offset之间的差异，就是salve需要增量拷贝的数据了。随着不断有数据写入，master的offset逐渐变大，slave也不断的拷贝，追赶master的offset，一直到数组被填满：
5.此时，如果有新的数据写入，就会覆盖数组中的旧数据。不过，旧的数据只要是绿色的，说明是已经被同步到slave的数据，即便被覆了也没什么影响。因为未同步的仅仅是红色部分。
6.但是，如果slave出现网络阻塞，导致master的offset远远超过了slave的offset：
7.如果master继续写入新数据，其offset就会覆盖旧的数据，直到将slave现在的offset也覆盖：
8.棕色框中的红色部分，就是尚未同步，但是却已经被覆盖的数据。此时如果slave恢复，需要同步，却发现自己的offset都没有了，无法完成增量同步了。只能做全量同步。

4.面试：主从架构中数据同步都可以进行哪些优化？？

1.主从同步可以保证主从数据的一致性，非常重要。可以从以下几个方面来优化Redis主从集群：
- 在master中配置repl-diskless-sync yes启用无磁盘复制，避免全量同步时的磁盘IO（磁盘慢，网络快的情况喜爱使用这个方式优化）
- Redis单节点上的内存占用不要太大，减少RDB导致的过多磁盘IO
- 适当提高repl_baklog的大小，发现slave宕机时尽快实现故障恢复，尽可能避免全量同步
- 限制一个master上的slave节点数量，如果实在是太多slave，则可以采用主-从-从链式结构，减少master压力，即薪火相传模式架构，如下图所示

5.主从同步小结:

1.简述全量同步和增量同步区别:
- 全量同步：master将完整内存数据生成RDB，发送RDB到slave。后续命令则记录在repl_baklog，逐个发送给slave。
- 增量同步：slave提交自己的offset到master，master获取repl_baklog中从offset之后的命令给slave
2.什么时候执行全量同步？
- slave节点第一次连接master节点时
- slave节点断开时间太久，repl_baklog中的offset已经被覆盖时
3.什么时候执行增量同步？
- slave节点断开又恢复，并且在repl_baklog中能找到offset时

6.薪火相传模式:

1.大哥带小弟，小弟下面还可以发展自己的小弟；
2.上一个Slave可以是下一个slave的Master，
3.Slave同样可以接收其他 slaves的连接和同步请求，
4.那么该slave作为了链条中下一个的master, 可以有效减轻master的写压力,去中心化降低风险
5.用 slaveof <ip><port>
6.中途变更转向:会清除之前的数据，重新建立拷贝最新的
7.风险是一旦某个slave宕机，后面的slave都没法备份主机挂了，从机还是从机，无法写数据了
8.主服务器挂掉后，从服务器还是从服务器，不会上位。永远是小弟