Redis有三种集群模式，分别是：主从模式、哨兵模式、Cluster模式。Rdis最开始使用主从模式做集群，若master宕机需要手动配置slave转为master；后来为了高可用提出来哨兵模式，该模式下有一个哨兵监视master和slave，若master宕机可自动将slave转为master，但它也有一个问题，就是不能动态扩充；所以在3.x提出cluster集群模式。

主从模式

主从模式是三种模式中最简单的，在主从复制中，数据库分为两类：主数据库(master)和从数据库(slave)。

其中主从复制有如下特点：

• 主数据库可以进行读写操作，当读写操作导致数据变化时会自动将数据同步给从数据库
• 复制的数据流是单向的，只能由主节点复制到从节点。
• 从数据库一般都是只读的，并且接收主数据库同步过来的数据
• 一个master可以拥有多个slave，但是一个slave只能对应一个master
• slave挂了不影响其他slave的读和master的读和写，重新启动后会将数据从master同步过来
• master挂了以后，不影响slave的读，但redis不再提供写服务，master重启后redis将重新对外提供写服务
• master挂了以后，不会在slave节点中重新选一个master

工作机制：

当slave启动后，主动向master发送SYNC命令。master接收到SYNC命令后在后台保存快照（RDB持久化）和缓存保存快照这段时间的命令，然后将保存的快照文件和缓存的命令发送给slave。slave接收到快照文件和命令后加载快照文件和缓存的执行命令。复制初始化后，master每次接收到的写命令都会同步发送给slave，保证主从数据一致性。

配置复制的方式有以下三种：

1）在配置文件中加入slaveof{masterHost}{masterPort}随Redis启动生效。

2）在redis-server启动命令后加入--slaveof{masterHost}{masterPort}生效。

3）直接使用命令：slaveof{masterHost}{masterPort}生效。

验证主从复制

在同一台机器上开启多个redis服务

1、将redis.windows.conf文件复制一份命名为redis.windows6380.conf，同时修改port的配置为6380

2、分别使用redis-service redis.windows.conf命令和redis-service redis.windows6380.conf命令开启两个redis服务。

3、用cmd打开两个窗口，redis-cli -p 6379命令和redis-cli -p 6380命令连接redis服务。

4、6380端口客户端：输入slaveof 127.0.0.1 6379配置主从。然后输入config set masterauth redis 配置连接master密码。

5、6379端口客户端：输入config set requirepass redis命令配置密码，输入auth redis命令认证，输入set name xiaoming命令添加数据。

6、6380端口客户端，输入get name命令查看数据，结果看到数据已经过来了。

7、在两个客户端输入info replication命令查看复制相关状态。

去除主从关系

slaveof命令不但可以建立复制，还可以在从节点执行slaveof no one命令来断开与主节点复制关系。

断开主从关系主要流程：

1）断开与主节点主从关系。

2）从节点晋升为主节点。

从节点断开主从关系后并不会抛弃原有数据，只是无法再获取主节点上的数据变化。

切主操作

通过slaveof命令还可以实现切主操作，所谓切主是指把当前从节点对主节点的复制切换到另一个主节点。执行slaveof{newMasterIp}{newMasterPort}命令即可。

切主操作流程如下：

1）断开与旧主节点主从关系。

2）与新主节点建立主从关系。

3）删除从节点当前所有数据。

4）对新主节点进行复制操作。

传输延迟

主从节点一般部署在不同机器上，复制时的网络延迟就成为需要考虑的问题，Redis为我们提供了repl-disable-tcp-nodelay参数用于控制是否关闭TCP_NODELAY，默认关闭，说明如下：

当关闭时，主节点产生的命令数据无论大小都会及时地发送给从节点，这样主从之间延迟会变小，但增加了网络带宽的消耗。适用于主从之间的网络环境良好的场景，如同机架或同机房部署。

当开启时，主节点会合并较小的TCP数据包从而节省带宽。默认发送时间间隔取决于Linux的内核，一般默认为40毫秒。这种配置节省了带宽但增大主从之间的延迟。适用于主从网络环境复杂或带宽紧张的场景，如跨机房部署。

拓扑

Redis的复制拓扑结构可以支持单层或多层复制关系，根据拓扑复杂性可以分为以下三种：一主一从、一主多从、树状主从结构。

一主一从结构

一主一从结构是最简单的复制拓扑结构，用于主节点出现宕机时从节点提供故障转移支持。当应用写命令并发量较高且需要持久化时，可以只在从节点上开启AOF，这样既保证数据安全性同时也避免了持久化对主节点的性能干扰。但需要注意的是，当主节点关闭持久化功能时，如果主节点脱机要避免自动重启操作。因为主节点之前没有开启持久化功能自动重启后数据集为空，这时从节点如果继续复制主节点会导致从节点数据也被清空的情况，丧失了持久化的意义。安全的做法是在从节点上执行slaveof no one断开与主节点的复制关系，再重启主节点从而避免这一问题。

一主多从结构

一主多从结构（又称为星形拓扑结构）使得应用端可以利用多个从节点实现读写分离。对于读占比较大的场景，可以把读命令发送到从节点来分担主节点压力。同时在日常开发中如果需要执行一些比较耗时的读命令，如：keys、sort等，可以在其中一台从节点上执行，防止慢查询对主节点造成阻塞从而影响线上服务的稳定性。对于写并发量较高的场景，多个从节点会导致主节点写命令的多次发送从而过度消耗网络带宽，同时也加重了主节点的负载影响服务稳定性。

树状主从结构

树状主从结构（又称为树状拓扑结构）使得从节点不但可以复制主节点数据，同时可以作为其他从节点的主节点继续向下层复制。通过引入复制中间层，可以有效降低主节点负载和需要传送给从节点的数据量。

原理

复制过程

在从节点执行slaveof命令后，复制过程便开始运作。复制的完整流程如下图所示：

1）保存主节点（master）信息。执行slaveof后从节点只保存主节点的地址信息便直接返回，这时建立复制流程还没有开始。

2）从节点（slave）内部通过每秒运行的定时任务维护复制相关逻辑，当定时任务发现存在新的主节点后，会尝试与该节点建立网络连接。从节点会建立一个socket套接字，专门用于接受主节点发送的复制命令。

3）发送ping命令。连接建立成功后从节点发送ping请求进行首次通信，ping请求主要目的如下：

• 检测主从之间网络套接字是否可用。

• 检测主节点当前是否可接受处理命令。

如果发送ping命令后，从节点没有收到主节点的pong回复或者超时，比如网络超时或者主节点正在阻塞无法响应命令，从节点会断开复制连接，下次定时任务会发起重连。

4）权限验证。如果主节点设置了requirepass参数，则需要密码验证，从节点必须配置masterauth参数保证与主节点相同的密码才能通过验证；如果验证失败复制将终止，从节点重新发起复制流程。

5）同步数据集。主从复制连接正常通信后，对于首次建立复制的场景，主节点会把持有的数据全部发送给从节点，这部分操作是耗时最长的步骤。Redis在2.8版本以后采用新复制命令psync进行数据同步，原来的sync命令依然支持，保证新旧版本的兼容性。新版同步划分两种情况：全量同步和部分同步。

6）命令持续复制。当主节点把当前的数据同步给从节点后，便完成了复制的建立流程。接下来主节点会持续地把写命令发送给从节点，保证主从数据一致性。

数据同步

Redis在2.8及以上版本使用psync命令完成主从数据同步，同步过程分为：全量复制和部分复制。

全量复制：一般用于初次复制场景，Redis早期支持的复制功能只有全量复制，它会把主节点全部数据一次性发送给从节点，当数据量较大时，会对主从节点和网络造成很大的开销。

部分复制：用于处理在主从复制中因网络闪断等原因造成的数据丢失场景，当从节点再次连上主节点后，如果条件允许，主节点会补发丢失数据给从节点。补发的数据远远小于全量数据，可以有效避免全量复制的过高开销。

psync命令运行需要以下组件支持：

• 主从节点各自复制偏移量。

• 主节点复制积压缓冲区。

• 主节点运行id。

复制偏移量

参与复制的主从节点都会维护自身复制偏移量。主节点（master）在处理完写入命令后，会把命令的字节长度做累加记录，统计信息在info relication中的master_repl_offset指标中。从节点（slave）每秒钟上报自身的复制偏移量给主节点，因此主节点也会保存从节点的复制偏移量。从节点在接收到主节点发送的命令后，也会累加记录自身的偏移量。通过对比主从节点的复制偏移量，可以判断主从节点数据是否一致。

复制积压缓冲区

复制积压缓冲区是保存在主节点上的一个固定长度的队列，默认大小为1MB，当主节点有连接的从节点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写入复制积压缓冲区。

由于缓冲区本质上是先进先出的定长队列，所以能实现保存最近已复制数据的功能，用于部分复制和复制命令丢失的数据补救。复制缓冲区相关统计信息保存在主节点的info replication中：

127.0.0.1:6379> info replication# Replicationrole:master...repl_backlog_active:1 //  开启复制缓冲区repl_backlog_size:1048576 //  缓冲区最大长度repl_backlog_first_byte_offset:7479 //  起始偏移量，计算当前缓冲区可用范围repl_backlog_histlen:1048576 //  已保存数据的有效长度。

根据统计指标，可算出复制积压缓冲区内的可用偏移量范围：

[repl_backlog_first_byte_offset，repl_backlog_first_byte_offset+repl_backlog_histlen]

主节点运行ID

每个Redis节点启动后都会动态分配一个40位的十六进制字符串作为运行ID。运行ID的主要作用是用来唯一识别Redis节点。从节点保存主节点的运行ID识别自己正在复制的是哪个主节点。当运行ID变化后从节点将做全量复制。Redis关闭再启动后，运行ID会随之改变，可以使用debug reload命令重新加载RDB并保持运行ID不变，从而有效避免不必要的全量复制。debug reload命令会阻塞当前Redis节点主线程，阻塞期间会生成本地RDB快照并清空数据之后再加载RDB文件。因此对于大数据量的主节点和无法容忍阻塞的应用场景，谨慎使用。

psync命令

从节点使用psync命令完成部分复制和全量复制功能，命令格式：psync{runId}{offset}，参数含义如下：

• runId：从节点所复制主节点的运行id。

• offset：当前从节点已复制的数据偏移量。

psync命令运行流程：

1）从节点（slave）发送psync命令给主节点，参数runId是当前从节点保存的主节点运行ID，参数offset是当前从节点保存的复制偏移量，如果是第一次参与复制则默认值为-1。

2）主节点（master）根据psync参数和自身数据情况决定响应结果：

• 如果回复+FULLRESYNC{runId}{offset}，那么从节点将触发全量复制流程。

• 如果回复+CONTINUE，从节点将触发部分复制流程。

• 如果回复+ERR，说明主节点版本低于Redis2.8，无法识别psync命令，从节点将发送旧版的sync命令触发全量复制流程。

全量复制

全量复制是Redis最早支持的复制方式，也是主从第一次建立复制时必须经历的阶段。触发全量复制的命令是sync和psync。它们的对应版本如图：

全量复制的完整运行流程：

1）发送psync命令进行数据同步，由于是第一次进行复制，从节点没有复制偏移量和主节点的运行ID，所以发送psync-1。

2）主节点根据psync-1解析出当前为全量复制，回复+FULLRESYNC响应。

3）从节点接收主节点的响应数据保存运行ID和偏移量offset。

4）主节点执行bgsave保存RDB文件到本地。

5）主节点发送RDB文件给从节点，从节点把接收的RDB文件保存在本地并直接作为从节点的数据文件。对于数据量较大的主节点，RDB文件从创建到传输完毕消耗的总时间超过repl-timeout所配置的值（默认60秒），从节点将放弃接受RDB文件并清理已经下载的临时文件，导致全量复制失败。Redis支持无盘复制，生成的RDB文件不保存到硬盘而是直接通过网络发送给从节点，通过repl-diskless-sync参数控制，默认关闭。无盘复制适用于主节点所在机器磁盘性能较差但网络带宽较充裕的场景。

6）对于从节点开始接收RDB快照到接收完成期间，主节点仍然响应读写命令，因此主节点会把这期间写命令数据保存在复制客户端缓冲区内，当从节点加载完RDB文件后，主节点再把缓冲区内的数据发送给从节点，保证主从之间数据一致性。如果主节点创建和传输RDB的时间过长，对于高流量写入场景非常容易造成主节点复制客户端缓冲区溢出。默认配置为client-output-buffer-limit slave256MB64MB60，如果60秒内缓冲区消耗持续大于64MB或者直接超过256MB时，主节点将直接关闭复制客户端连接，造成全量同步失败。

7）从节点接收完主节点传送来的全部数据后会清空自身旧数据。

8）从节点清空数据后开始加载RDB文件，对于较大的RDB文件，这一步操作依然比较耗时。对于线上做读写分离的场景，从节点也负责响应读命令。如果此时从节点正出于全量复制阶段或者复制中断，那么从节点在响应读命令可能拿到过期或错误的数据。对于这种场景，Redis复制提供了slave-serve-stale-data参数，默认开启状态。如果开启则从节点依然响应所有命令。对于无法容忍不一致的应用场景可以设置no来关闭命令执行，此时从节点除了info和slaveof命令之外所有的命令只返回“SYNC with master in progress”信息。

9）从节点成功加载完RDB后，如果当前节点开启了AOF持久化功能，它会立刻做bgrewriteaof操作，为了保证全量复制后AOF持久化文件立刻可用。

全量复制时间开销主要包括：

• 主节点bgsave时间。

• RDB文件网络传输时间

• 从节点清空数据时间

• 从节点加载RDB的时间

• 可能的AOF重写时间

部分复制

部分复制使用psync{runId}{offset}命令实现。当从节点（slave）正在复制主节点（master）时，如果出现网络闪断或者命令丢失等异常情况时，从节点会向主节点要求补发丢失的命令数据，如果主节点的复制积压缓冲区内存在这部分数据则直接发送给从节点，这样就可以保持主从节点复制的一致性。

部分复制的流程：

1）当主从节点之间网络出现中断时，如果超过repl-timeout时间，主节点会认为从节点故障并中断复制连接。

2）主从连接中断期间主节点依然响应命令，但因复制连接中断命令无法发送给从节点，不过主节点内部存在的复制积压缓冲区，依然可以保存最近一段时间的写命令数据，默认最大缓存1MB。

3）当主从节点网络恢复后，从节点会再次连上主节点。

4）当主从连接恢复后，由于从节点之前保存了自身已复制的偏移量和主节点的运行ID。因此会把它们当作psync参数发送给主节点，要求进行部分复制操作。

5）主节点接到psync命令后首先核对参数runId是否与自身一致，如果一致，说明之前复制的是当前主节点；之后根据参数offset在自身复制积压缓冲区查找，如果偏移量之后的数据存在缓冲区中，则对从节点发送+CONTINUE响应，表示可以进行部分复制。

6）主节点根据偏移量把复制积压缓冲区里的数据发送给从节点，保证主从复制进入正常状态。

心跳

主从节点在建立复制后，它们之间维护着长连接并彼此发送心跳命令。

主从心跳判断机制：

1）主从节点彼此都有心跳检测机制，各自模拟成对方的客户端进行通信，通过client list命令查看复制相关客户端信息，主节点的连接状态为flags=M，从节点连接状态为flags=S。

2）主节点默认每隔10秒对从节点发送ping命令，判断从节点的存活性和连接状态。可通过参数repl-ping-slave-period控制发送频率。

3）从节点在主线程中每隔1秒发送replconf ack{offset}命令，给主节点上报自身当前的复制偏移量。replconf命令主要作用如下：

• 实时监测主从节点网络状态
• 上报自身复制偏移量，检查复制数据是否丢失，如果从节点数据丢失，再从主节点的复制缓冲区中拉取丢失数据。
• 实现保证从节点的数量和延迟性功能，通过min-slaves-to-write、min-slaves-max-lag参数配置定义。

主节点根据replconf命令判断从节点超时时间，体现在info replication统计中的lag信息中，lag表示与从节点最后一次通信延迟的秒数，正常延迟应该在0和1之间。如果超过repl-timeout配置的值（默认60秒），则判定从节点下线并断开复制客户端连接。即使主节点判定从节点下线后，如果从节点重新恢复，心跳检测会继续进行。

异步复制

主节点不但负责数据读写，还负责把写命令同步给从节点。写命令的发送过程是异步完成，也就是说主节点自身处理完写命令后直接返回给客户端，并不等待从节点复制完成。

主节点异步复制流程：

1）主节点接收处理命令。

2）命令处理完之后返回响应结果。

3）对于修改命令异步发送给从节点，从节点在主线程中执行复制的命令。

总结：读写分离永远只对主节点执行写操作。通过配置合理的复制积压缓冲区尽量避免全量复制，主节点存在多个从节点或者一台机器上部署大量主节点的情况下，会有复制风暴的风险，应当把主节点尽量分散在多台机器上，主节点所在机器故障后提供故障转移机制，避免机器恢复后进行密集的全量复制。