4. Redis 主从与哨兵架构：主从复制原理、全量复制与增量复制、哨兵模式故障转移、读写分离实践

4.1 主从复制架构与核心原理

Redis 主从复制（Replication）是构建高可用 Redis 服务的基础。主节点（Master）负责处理写请求，从节点（Slave）通过复制主节点的数据来提供读服务。这种架构实现了数据的冗余备份，并为读写分离提供了基础。

4.1.1 主从复制流程

当从节点向主节点发起连接时，复制过程分为以下步骤：

1. 建立连接：从节点通过 REPLICAOF 命令（或旧版 SLAVEOF）指定主节点 IP 和端口，建立 TCP 连接。
2. 身份验证：如果主节点设置了 requirepass，从节点需使用 masterauth 密码进行认证。
3. 同步数据：主节点根据情况执行全量复制或增量复制，将数据同步给从节点。
4. 持续复制：同步完成后，主节点将后续的写命令以命令流（Replication Stream）的形式持续发送给从节点。

# 在从节点上执行，指定主节点
REPLICAOF 192.168.1.10 6379

# 取消复制，从节点变回独立节点
REPLICAOF NO ONE

4.1.2 主从复制拓扑结构

Redis 支持多种主从拓扑，常见的有：

4.2 全量复制与增量复制

Redis 根据场景选择不同的复制策略。全量复制用于初次同步或断连后无法增量恢复的情况；增量复制用于网络断开后重新连接且数据差异较小的情况。

4.2.1 全量复制（Full Resynchronization）

全量复制发生在以下场景：

• 从节点第一次连接到主节点。
• 从节点断开时间过长，主节点的复制积压缓冲区（Replication Backlog）已无法覆盖缺失的数据。
• 从节点主动发起 REPLICAOF 命令。

全量复制流程：

1. 主节点执行 BGSAVE 生成 RDB 快照文件。
2. 主节点将 RDB 文件发送给从节点。
3. 从节点清空当前所有数据，加载 RDB 文件。
4. 主节点将生成 RDB 期间累积的写命令（存储在缓冲区中）发送给从节点。
5. 从节点执行这些写命令，完成数据同步。

4.2.2 增量复制（Partial Resynchronization）

增量复制利用 复制积压缓冲区 和 复制偏移量 实现高效的数据续传。

增量复制流程：

1. 从节点重连主节点后，发送自己的 Replication ID 和 Offset。
2. 主节点检查从节点的 Offset 是否仍在自己的 Backlog 范围内。
3. 如果在范围内，主节点将从 Offset 之后的数据发送给从节点。
4. 如果不在范围内，则触发全量复制。

4.3 哨兵模式与故障转移

Redis Sentinel（哨兵）是一个分布式系统，用于监控 Redis 主从架构的健康状态，并在主节点发生故障时自动执行故障转移（Failover），将从节点提升为新的主节点。

4.3.1 哨兵的核心功能

4.3.2 故障转移流程

1. 主观下线（SDOWN）：单个哨兵实例发现主节点在 down-after-milliseconds 时间内没有响应。
2. 客观下线（ODOWN）：多个哨兵（达到 quorum 数量）都认为主节点主观下线。
3. 领导者选举：哨兵集群通过 Raft 算法选举一个领导者哨兵来执行故障转移。
4. 从节点选举：领导者哨兵从健康的从节点中选举一个作为新的主节点。选举依据优先级（slave-priority）、复制偏移量、运行 ID。
5. 角色切换：将选中的从节点执行 REPLICAOF NO ONE 提升为主节点。
6. 重新配置：将其他从节点指向新的主节点，并通知客户端更新主节点地址。

# 监控 mymaster，2 个哨兵同意即判定客观下线
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2

# 主节点 30000 毫秒无响应即判定主观下线
sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000

# 故障转移超时时间
sentinel failover-timeout mymaster 180000

# 故障转移后，同时向新主节点发起复制的从节点数量
sentinel parallel-syncs mymaster 1

4.4 读写分离实践

读写分离是主从架构最常见的应用模式。写请求发送到主节点，读请求分散到多个从节点，从而提升系统的整体吞吐量。

4.4.1 读写分离架构

客户端需要自行实现或通过中间件实现读写分离逻辑。常见的实现方式包括：

• 客户端 SDK 直连：在业务代码中维护主节点和从节点列表，根据操作类型选择不同的连接。
• 代理中间件：如 Twemproxy、Codis、Redis Cluster 等，代理层自动路由读写请求。
• Sentinel 配合客户端：客户端通过哨兵获取主节点地址，从节点地址可通过哨兵或配置中心获取。

4.4.2 读写分离的注意事项

4.4.3 读写分离代码示例（Java + Jedis）

// 使用 JedisSentinelPool 实现读写分离
public class RedisReadWriteSplit {

    private final JedisSentinelPool masterPool;
    private final List<JedisPool> slavePools;

    public RedisReadWriteSplit(String masterName, Set<String> sentinels,
                                List<String> slaveHosts) {
        // 主节点连接池（通过哨兵获取）
        this.masterPool = new JedisSentinelPool(masterName, sentinels);
        // 从节点连接池列表
        this.slavePools = slaveHosts.stream()
                .map(host -> new JedisPool(host, 6379))
                .collect(Collectors.toList());
    }

    // 写操作：强制走主节点
    public String set(String key, String value) {
        try (Jedis jedis = masterPool.getResource()) {
            return jedis.set(key, value);
        }
    }

    // 读操作：轮询从节点
    public String get(String key) {
        // 简单轮询策略
        int index = ThreadLocalRandom.current().nextInt(slavePools.size());
        try (Jedis jedis = slavePools.get(index).getResource()) {
            return jedis.get(key);
        }
    }

    // 强一致性读：直接走主节点
    public String getStrongConsistency(String key) {
        try (Jedis jedis = masterPool.getResource()) {
            return jedis.get(key);
        }
    }
}