Redis集群同步到底咋实现，技术细节和方法全解析

Redis集群的同步主要涉及两大核心机制：一是用于保证数据一致性的主从复制，二是用于管理数据分片和故障转移的集群总线与Gossip协议，这两者协同工作,共同构成了Redis集群的同步基础。

主从复制：数据同步的基石

主从复制是Redis实现数据冗余和高可用的基础，在一个主从架构中，一个主节点可以拥有多个从节点，主节点负责处理写请求，从节点则复制主节点的数据,并可以处理读请求。

其同步过程可以分解为以下几个关键步骤：

1. 建立连接与身份验证：当启动一个从节点并配置它复制某个主节点时，从节点会首先与主节点建立一个Socket连接，如果主节点设置了密码,从节点需要进行身份验证。
2. 发送PSYNC命令：连接建立后，从节点会向主节点发送PSYNC命令，开始同步流程。PSYNC命令具有部分重同步的能力,这是其高效的关键。
3. 决定同步方式：全量同步 vs. 部分同步：
   • 全量同步：如果这是一个全新的从节点，或者从节点与主节点断开连接太久，导致主节点的复制积压缓冲区中找不到对应的同步历史，主节点就会决定进行全量同步。
     • 主节点会立即开启一个后台进程，生成当前数据库的RDB快照文件,RDB是Redis在某个时间点的数据全量备份。
     • 在生成RDB文件的同时，主节点会继续处理新的写命令，并将这些命令缓存到内存的复制缓冲区中。
     • RDB文件生成完毕后,主节点会将其发送给从节点。
     • 从节点接收到RDB文件后，会清空自身旧数据，然后将RDB文件加载到内存,从而将数据状态更新到主节点生成快照的那个时间点。
     • 主节点再将之前缓存在复制缓冲区中的所有写命令发送给从节点，从节点执行这些命令,最终实现与主节点的数据完全同步。
   • 部分同步：如果从节点只是短暂断线后重连，并且其复制偏移量仍然存在于主节点的复制积压缓冲区中，主节点就会进行部分同步。
     • 主节点只需要将从节点断开期间所缺失的那些写命令发送给从节点即可。
     • 这极大地减少了网络带宽和时间的消耗,避免了不必要的数据全量传输。

集群模式下的同步与协调

Redis集群采用无中心节点的P2P架构，数据被分片到16384个槽上，每个主节点负责一部分槽，集群的同步不仅仅是主从之间的数据复制,还包括节点间的状态感知和元数据同步。

1. 集群总线：每个Redis集群节点都额外开启了一个TCP端口（通常是客户端端口加10000），用于节点间的通信，这个通信通道就是集群总线，所有节点通过这个总线进行心跳检测、故障转移、配置更新等消息的传递。
2. Gossip协议：集群总线上的通信采用的是一种称为Gossip的协议，想象一下人们闲聊传话：
   • 每个节点会定期（每秒多次）随机选择几个其他节点发送PING消息。
   • PING消息中包含了自身的信息（如负责哪些槽、是否为主节点等）以及它所知道的其他部分节点的信息。
   • 接收到PING的节点会回复一个PONG消息,同样包含自己的和已知的集群信息。
   • 通过这种随机的、一对多的信息交换，集群中每个节点最终都能获得整个集群的完整元数据视图（最终一致性）,这使得任何节点都能将客户端请求路由到正确的目标节点。
3. 故障转移与主从切换：这是集群同步能力的动态体现。
   • 当某个主节点宕机后,与其保持心跳的从节点会检测到这一情况。
   • 经过一段超时时间后，从节点会发起故障转移流程：它会向集群中其他主节点广播消息,请求投票。
   • 如果获得了大多数主节点的同意，这个从节点就会晋升为新的主节点,并接管原主节点负责的所有数据槽。
   • 它会向整个集群广播这一配置变更，其他节点更新本地元数据后,就知道新的写请求应该发往这个新主节点了。
   • 在这个过程中，由于之前的主从复制一直在进行，新主节点已经拥有了几乎最新的数据,从而保证了服务的连续性。

总结一下，Redis集群的同步是一个多层次、多步骤的复杂过程。主从复制解决了单个数据分片内的数据备份和读写分离问题，通过全量同步和部分同步机制在效率和可靠性之间取得平衡，而集群总线和Gossip协议则像神经系统一样，将一个个独立的主从节点连接成一个整体，实现了集群状态的感知、故障的自动发现与恢复,确保了整个集群的可用性和数据一致性。

参考资料：Redis官方文档中关于“Replication”和“Redis Cluster Specification”的章节详细描述了这些机制。