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哨兵机制:主库挂了,如何不间断服务?

我们都了解 Redis主从库集群模式。在这个模式下,如果从库发生故障了,客户端可以继续向主库或其他从库发送请求,进行相关的操作,但是如果主库发生故障了,那就直接会影响到从库的同步,因为从库没有相应的主库可以进行数据复制操作了。

而且,如果客户端发送的都是读操作请求,那还可以由从库继续提供服务,这在纯读的业务场景下还能被接受。但是,一旦有写操作请求了,按照主从库模式下的读写分离要求,需要由主库来完成写操作。此时,也没有实例可以来服务客户端的写操作请求了,如下图所示:

无论是写服务中断,还是从库无法进行数据同步,都是不能接受的。所以,如果主库挂了,我们就需要运行一个新主库,比如说把一个从库切换为主库,把它当成主库。这就涉及到三个问题:

  1. 主库真的挂了吗?
  2. 该选择哪个从库作为主库?
  3. 怎么把新主库的相关信息通知给从库和客户端呢?

这就要提到哨兵机制了。在 Redis 主从集群中,哨兵机制是实现主从库自动切换的关键机制,它有效地解决了主从复制模式下故障转移的这三个问题。

哨兵机制的基本流程

哨兵其实就是一个运行在特殊模式下的 Redis 进程,主从库实例运行的同时,它也在运行。哨兵主要负责的就是三个任务:监控、选主(选择主库)和通知。

我们先看监控。监控是指哨兵进程在运行时,周期性地给所有的主从库发送 PING 命令,检测它们是否仍然在线运行。如果从库没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令,哨兵就会把它标记为“下线状态”;同样,如果主库也没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令,哨兵就会判定主库下线,然后开始自动切换主库的流程。

这个流程首先是执行哨兵的第二个任务,选主。主库挂了以后,哨兵就需要从很多个从库里,按照一定的规则选择一个从库实例,把它作为新的主库。这一步完成后,现在的集群里就有了新主库。

然后,哨兵会执行最后一个任务:通知。在执行通知任务时,哨兵会把新主库的连接信息发给其他从库,让它们执行 replicaof 命令,和新主库建立连接,并进行数据复制。同时,哨兵会把新主库的连接信息通知给客户端,让它们把请求操作发到新主库上。

我画了一张图片,展示了这三个任务以及它们各自的目标。

在这三个任务中,通知任务相对来说比较简单,哨兵只需要把新主库信息发给从库和客户端,让它们和新主库建立连接就行,并不涉及决策的逻辑。但是,在监控和选主这两个任务中,哨兵需要做出两个决策:

  • 在监控任务中,哨兵需要判断主库是否处于下线状态;
  • 在选主任务中,哨兵也要决定选择哪个从库实例作为主库。

接下来,我们就先说说如何判断主库的下线状态。

你首先要知道的是,哨兵对主库的下线判断有“主观下线”和“客观下线”两种。那么,为什么会存在两种判断呢?它们的区别和联系是什么呢?

主观下线和客观下线

哨兵进程会使用 PING 命令检测它自己和主、从库的网络连接情况,用来判断实例的状态。如果哨兵发现主库或从库对 PING 命令的响应超时了,那么,哨兵就会先把它标记为“主观下线”。

如果检测的是从库,那么,哨兵简单地把它标记为“主观下线”就行了,因为从库的下线影响一般不太大,集群的对外服务不会间断。

但是,如果检测的是主库,那么,哨兵还不能简单地把它标记为“主观下线”,开启主从切换。因为很有可能存在这么一个情况:那就是哨兵误判了,其实主库并没有故障。可是,一旦启动了主从切换,后续的选主和通知操作都会带来额外的计算和通信开销。

为了避免这些不必要的开销,我们要特别注意误判的情况。

首先,我们要知道啥叫误判。很简单,就是主库实际并没有下线,但是哨兵误以为它下线了。误判一般会发生在集群网络压力较大、网络拥塞,或者是主库本身压力较大的情况下。

一旦哨兵判断主库下线了,就会开始选择新主库,并让从库和新主库进行数据同步,这个过程本身就会有开销,例如,哨兵要花时间选出新主库,从库也需要花时间和新主库同步。而在误判的情况下,主库本身根本就不需要进行切换的,所以这个过程的开销是没有价值的。正因为这样,我们需要判断是否有误判,以及减少误判。

那怎么减少误判呢?在日常生活中,当我们要对一些重要的事情做判断的时候,经常会和家人或朋友一起商量一下,然后再做决定。

哨兵机制也是类似的,它通常会采用多实例组成的集群模式进行部署,这也被称为哨兵集群。引入多个哨兵实例一起来判断,就可以避免单个哨兵因为自身网络状况不好,而误判主库下线的情况。同时,多个哨兵的网络同时不稳定的概率较小,由它们一起做决策,误判率也能降低。

如何选定新主库?

一般来说,我把哨兵选择新主库的过程称为“筛选 + 打分”。简单来说,我们在多个从库中,先按照一定的筛选条件,把不符合条件的从库去掉。然后,我们再按照一定的规则,给剩下的从库逐个打分,将得分最高的从库选为新主库,如下图所示:

第一轮:优先级最高的从库得分高。

用户可以通过 slave-priority 配置项,给不同的从库设置不同优先级。比如,你有两个从库,它们的内存大小不一样,你可以手动给内存大的实例设置一个高优先级。在选主时,哨兵会给优先级高的从库打高分,如果有一个从库优先级最高,那么它就是新主库了。如果从库的优先级都一样,那么哨兵开始第二轮打分。

第二轮:和旧主库同步程度最接近的从库得分高。

这个规则的依据是,如果选择和旧主库同步最接近的那个从库作为主库,那么,这个新主库上就有最新的数据。

第三轮:ID 号小的从库得分高。

每个实例都会有一个 ID,这个 ID 就类似于这里的从库的编号。目前,Redis 在选主库时,有一个默认的规定:在优先级和复制进度都相同的情况下,ID 号最小的从库得分最高,会被选为新主库

总结

哨兵机制,它是实现 Redis 不间断服务的重要保证。具体来说,主从集群的数据同步,是数据可靠的基础保证;而在主库发生故障时,自动的主从切换是服务不间断的关键支撑。

Redis 的哨兵机制自动完成了以下三大功能,从而实现了主从库的自动切换,可以降低 Redis 集群的运维开销:

  • 监控主库运行状态,并判断主库是否客观下线;
  • 在主库客观下线后,选取新主库;
  • 选出新主库后,通知从库和客户端。

本文分享自微信公众号 - 码农架构(iByteCoding),作者:志哥

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原始发表时间:2020-09-01

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