【面试之Redis篇】主从复制原理

从面试的角度来解释 Redis 主从复制原理，按照“总-分-总”的结构，清晰地阐述其核心概念、工作流程和关键要点，这能体现出你不仅知道是什么，还理解为什么以及如何应对相关问题。

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总览：一句话定义

面试官您好，Redis 的主从复制是指：由一个 Redis 服务器（主节点 Master）将其数据自动同步到一个或多个 Redis 服务器（从节点 Slave）的过程。它的核心目的是实现数据的冗余备份、实现读写分离以提升读性能、并构成高可用和故障恢复的基础。

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分步详解：核心工作原理（重点阐述）

主从复制的过程主要可以分为三个阶段：建立连接、数据同步、命令传播。其中数据同步阶段是重中之重。

第一阶段：建立连接 (Handshake)

1. 配置与连接：从节点通过执行 replicaof <masterip> <masterport> 命令（旧版本为 slaveof）或修改配置文件，保存主节点的地址和端口。
2. 建立 Socket 连接：从节点会创建一个专门的 Socket 连接，用于与主节点进行通信。如果连接成功，从节点会为这个 Socket 关联一个专门的文件事件处理器，负责处理后续的复制工作。
3. 发送 PING 命令：连接建立后，从节点首先发送一个 PING 命令。目的是：
   • 检查 Socket 连接是否可用。
   • 检查主节点是否能正常处理请求（如果主节点返回错误或超时无响应，从节点会断开并重连）。
4. 身份验证：如果主节点配置了 requirepass，从节点需要发送 AUTH 命令并提供密码进行验证。
5. 发送端口信息：身份验证通过后，从节点会向主节点发送自己监听的端口号（REPLCONF listening-port <port>），主节点会保存这个信息。

至此，通信链路已准备好，复制流程进入最关键的数据同步阶段。

第二阶段：数据同步 (Synchronization)

这是复制过程的核心，目的是让从节点的数据集状态与主节点达成一致。根据从节点是否是第一次同步，会分为全量复制和部分复制（增量复制）。

1. 全量复制 (Full Resynchronization) - 用于首次同步或偏移量不匹配时

• PSYNC 命令：从节点使用 PSYNC 命令向主节点发起同步请求。如果是第一次连接，从节点会发送 PSYNC ? -1。
• 主节点执行 BGSAVE：主节点收到全量同步请求后，会在后台启动一个 bgsave 子进程来生成当前数据的 RDB 快照文件。
• 复制缓冲区：在 bgsave 期间，主节点依然会处理新的写命令。这些写命令会被缓存在内存中的一个叫做复制缓冲区 (Replication Buffer) 的区域里。
• 发送 RDB 文件：bgsave 完成后，主节点将 RDB 文件通过之前建立的连接发送给从节点。
• 从节点加载 RDB：从节点接收到 RDB 文件后，会清空自身旧数据，然后将其加载到内存中，使自身数据状态达到主节点执行 bgsave 时的状态。
• 发送缓冲区的写命令：主节点将复制缓冲区中记录的、在 bgsave 期间产生的所有写命令发送给从节点。
• 从节点执行写命令：从节点执行这些写命令，最终使其数据库状态与主节点完全同步。

面试点睛：这里常问 “主节点在生成 RDB 期间的新写命令是如何处理的？” 一定要答出复制缓冲区的概念。

2. 部分复制 (Partial Resynchronization) - 用于断线重连后的增量同步

• 复制偏移量 (Replication Offset)：主从节点都会维护一个复制偏移量。主节点每次向从节点传播 N 个字节的数据，自己的偏移量就增加 N。从节点每次收到 N 个字节，偏移量也增加 N。
• 复制积压缓冲区 (Replication Backlog)：主节点内部维护了一个固定长度的、FIFO 的队列（默认 1MB）。主节点在传播命令时，不仅发给从节点，还会写一份到复制积压缓冲区。
• 断线重连：当从节点重新连上主节点时，会通过 PSYNC 命令将自己的偏移量 offset 发送给主节点。
• 偏移量比对：主节点检查 offset：
  • 如果 offset+1 之后的数据仍然存在于复制积压缓冲区中，则主节点回复 +CONTINUE，表示可以进行部分复制。
  • 随后主节点将复制积压缓冲区中从 offset+1 开始的所有数据发送给从节点。
  • 从节点执行这些命令，即可将数据同步至主节点的最新状态。

面试点睛：这部分是高频考点。一定要解释清楚 PSYNC、offset 和 backlog 这三个核心概念是如何协同工作来实现高效的部分复制的。

第三阶段：命令传播 (Command Propagation)

当同步完成后，主从节点的数据达到一致状态。之后，主节点进入命令传播阶段。

• 每当主节点接收到新的写命令时，除了自己执行，还会异步地将这个命令发送给所有从节点。
• 从节点执行相同的命令，从而最终保持数据的一致性。

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总结与升华

在回答的最后，可以进行总结并引申出相关话题，展示知识的广度：

• 最终一致性：Redis 主从复制是异步的，这意味着主从数据存在短暂延迟，是最终一致性模型。延迟取决于网络、负载等因素。
• 核心面试点：
  1. 全量复制 vs 部分复制：理解它们的触发条件和过程，尤其是 PSYNC 机制。
  2. 核心组件：复制偏移量 (offset)、复制积压缓冲区 (backlog)、复制缓冲区 (buffer) 的作用和区别。
  3. 异步复制：理解其优势和可能的数据丢失风险（主节点宕机且未同步到从节点的数据会丢失）。
• 引申话题：
  • 读写分离：基于主从复制，可以将写操作交给主节点，读操作分散到从节点，提升系统吞吐量。
  • 高可用基石：主从复制是 Redis Sentinel（哨兵）和 Redis Cluster（集群）实现故障自动转移（Failover）的基础。哨兵系统正是通过监控主从节点，并在主节点故障时自动将一个从节点提升为主节点来实现高可用。