面试题：缓存设计之中等难度：Redis主从复制工作原理

Question

请详细阐述Redis主从复制的工作原理，包括主节点和从节点之间的数据同步过程，以及在主从复制过程中可能出现的数据不一致问题及解决方案。

Answer 1

Redis主从复制工作原理

1. 建立连接：从节点通过SLAVEOF命令（或配置文件设置）向主节点发送同步请求，主节点接收到请求后，会为从节点创建一个专门的复制流，用于传输数据。
2. 全量同步：
   • 主节点处理：主节点在接收到从节点的同步请求后，会执行BGSAVE命令，生成当前数据库状态的RDB快照文件，并将此后接收到的写命令缓存起来。
   • 从节点处理：从节点接收到主节点发送的RDB文件后，会先清空自己的数据库，然后加载RDB文件，将主节点的数据同步到本地。
   • 数据同步完成：主节点将RDB文件发送完毕后，会将缓存的写命令依次发送给从节点，从节点执行这些命令，完成数据的最终同步。
3. 增量同步：全量同步完成后，主从节点进入增量同步阶段。主节点会将接收到的写命令通过复制流发送给从节点，从节点接收并执行这些命令，保持数据的一致性。

数据同步过程

1. 初次同步：从节点启动并连接主节点，发送PSYNC命令（Redis 2.8及以上版本使用，早期版本使用SYNC命令）。主节点根据从节点发送的runid和offset判断是否可以进行增量同步，如果是初次同步或无法进行增量同步，则进行全量同步。
2. 增量同步：在主从节点正常运行过程中，主节点会持续记录自己的写操作到复制积压缓冲区（一个固定大小的环形缓冲区）。从节点会定期向主节点发送REPLCONF ACK <offset>命令，报告自己当前复制的偏移量。当从节点因为网络等原因与主节点断开连接后重新连接时，主节点根据从节点报告的偏移量判断是否可以进行增量同步。如果偏移量在复制积压缓冲区的范围内，则主节点将从偏移量开始的写命令发送给从节点，进行增量同步；否则，进行全量同步。

可能出现的数据不一致问题及解决方案

1. 网络延迟导致的数据不一致：主节点在接收到写命令后，立即返回给客户端成功，而此时从节点可能还未同步到该数据。如果在这个时间窗口内客户端从从节点读取数据，就可能读到旧数据。
   • 解决方案：
     • 设置读偏好：应用程序可以根据业务需求，设置从节点的读偏好。例如，对于一些对数据一致性要求不高的读操作，可以从从节点读取数据；对于对数据一致性要求较高的读操作，从主节点读取数据。
     • 使用同步读：在读取数据时，可以先等待一段时间，确保从节点已经同步到最新数据。可以通过WAIT命令（Redis 2.6及以上版本支持）实现，该命令可以阻塞客户端，直到指定数量的从节点确认接收到写命令。
2. 复制积压缓冲区溢出导致的数据不一致：如果主节点产生写命令的速度过快，复制积压缓冲区可能会溢出，导致从节点重新连接时无法进行增量同步，只能进行全量同步，可能会出现数据不一致。
   • 解决方案：合理设置复制积压缓冲区的大小。可以通过repl-backlog-size配置参数设置，一般根据主节点写命令的产生速度和网络状况来估算合适的大小。例如，如果主节点每秒产生100KB的写命令，网络中断时间可能长达10秒，那么可以将复制积压缓冲区大小设置为1MB（100KB * 10）以上。
3. 从节点故障恢复后的数据不一致：从节点在故障恢复后，可能会因为各种原因（如数据加载错误等）与主节点的数据不一致。
   • 解决方案：定期对主从节点的数据进行一致性检查。可以使用Redis自带的redis-check-aof和redis-check-rdb工具对AOF和RDB文件进行检查，也可以通过自定义脚本对比主从节点的数据。发现不一致时，及时采取措施，如重新进行全量同步等。