深入Redis：哨兵

前言

文章主要内容如下：首先介绍哨兵的作用和架构；然后讲述哨兵系统的部署方法，以及通过客户端访问哨兵系统的方法；然后简要说明哨兵实现的基本原理；最后给出关于哨兵实践的一些建议。文章内容基于Redis 3.0版本。

一、作用和架构

1. 作用

在介绍哨兵之前，首先从宏观角度回顾一下Redis实现高可用相关的技术。它们包括：持久化、复制、哨兵和集群，其主要作用和解决的问题是：

持久化：持久化是最简单的高可用方法(有时甚至不被归为高可用的手段)，主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。
复制：复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在复制基础上实现高可用的。复制主要实现了数据的多机备份，以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。缺陷：故障恢复无法自动化；写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。
哨兵：在复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。缺陷：写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。
集群：通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。

下面说回哨兵。

Redis Sentinel，即Redis哨兵，在Redis 2.8版本开始引入。哨兵的核心功能是主节点的自动故障转移。下面是Redis官方文档对于哨兵功能的描述：

监控（Monitoring）：哨兵会不断地检查主节点和从节点是否运作正常。
自动故障转移（Automatic failover）：当主节点不能正常工作时，哨兵会开始自动故障转移操作，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其他从节点改为复制新的主节点。
配置提供者（Configuration provider）：客户端在初始化时，通过连接哨兵来获得当前Redis服务的主节点地址。
通知（Notification）：哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端。
其中，监控和自动故障转移功能，使得哨兵可以及时发现主节点故障并完成转移；而配置提供者和通知功能，则需要在与客户端的交互中才能体现。

2. 架构

典型的哨兵架构图如下所示：

配置完成后，依次启动主节点和从节点：

2. 部署哨兵节点

哨兵节点本质上是特殊的Redis节点。

3个哨兵节点的配置几乎是完全一样的，主要区别在于端口 的不同（26379/26380/26381），下面以26379节点为例介绍节点的配置和启动方式；配置部分尽量简化，更多配置会在后面介绍。

按照上述方式配置和启动之后，整个哨兵系统就启动完毕了。可以通过redis-cli连接哨兵节点进行验证，如下图所示：可以看出26379哨兵节点已经在监控mymaster主节点(即192.168.92.128:6379)，并发现了其2个从节点和另外2个哨兵节点。

其中，dir只是显式声明了数据和日志所在的目录（在哨兵语境下只有日志）；known-slave和known-sentinel显示哨兵已经发现了从节点和其他哨兵；带有epoch的参数与配置纪元有关（配置纪元是一个从0开始的计数器，每进行一次领导者哨兵选举，都会+1；领导者哨兵选举是故障转移阶段的一个操作，在后文原理部分会介绍）。

3. 演示故障转移

（1）首先，使用kill命令杀掉主节点：

（3）一段时间以后，再次在哨兵节点中执行info Sentinel查看，发现主节点已经切换成6380节点。

（5）在故障转移阶段，哨兵和主从节点的配置文件都会被改写。

对于主从节点，主要是slaveof配置的变化：新的主节点没有了slaveof配置，其从节点则slaveof新的主节点。

对于哨兵节点，除了主从节点信息的变化，纪元(epoch)也会变化，下图中可以看到纪元相关的参数都+1了。

2. 客户端原理

Jedis客户端对哨兵提供了很好的支持。如上述代码所示，我们只需要向Jedis提供哨兵节点集合和masterName，构造JedisSentinelPool对象；然后便可以像使用普通redis连接池一样来使用了：通过pool.getResource()获取连接，执行具体的命令。

在整个过程中，我们的代码不需要显式的指定主节点的地址，就可以连接到主节点；代码中对故障转移没有任何体现，就可以在哨兵完成故障转移后自动的切换主节点。之所以可以做到这一点，是因为在JedisSentinelPool的构造器中，进行了相关的工作；主要包括以下两点：

（1）遍历哨兵节点，获取主节点信息：遍历哨兵节点，通过其中一个哨兵节点+masterName获得主节点的信息；该功能是通过调用哨兵节点的sentinel get-master-addr-by-name命令实现，该命令示例如下：

然后，将前述客户端代码在局域 的另外一台机器上运行，会发现客户端无法连接主节点；这是因为哨兵作为配置提供者，客户端通过它查询到主节点的地址为127.0.0.1:6379，客户端会向127.0.0.1:6379建立redis连接，自然无法连接。如果哨兵是代理，这个问题就不会出现了。

（2）通知：哨兵节点在故障转移完成后，会将新的主节点信息发送给客户端，以便客户端及时切换主节点。

四、基本原理

前面介绍了哨兵部署、使用的基本方法，本部分介绍哨兵实现的基本原理。

1. 哨兵节点支持的命令

哨兵节点作为运行在特殊模式下的redis节点，其支持的命令与普通的redis节点不同。在运维中，我们可以通过这些命令查询或修改哨兵系统；不过更重要的是，哨兵系统要实现故障发现、故障转移等各种功能，离不开哨兵节点之间的通信，而通信的很大一部分是通过哨兵节点支持的命令来实现的。下面介绍哨兵节点支持的主要命令。

（1）基础查询：通过这些命令，可以查询哨兵系统的拓扑结构、节点信息、配置信息等。

info sentinel：获取监控的所有主节点的基本信息
sentinel masters：获取监控的所有主节点的详细信息
sentinel master mymaster：获取监控的主节点mymaster的详细信息
sentinel slaves mymaster：获取监控的主节点mymaster的从节点的详细信息
sentinel sentinels mymaster：获取监控的主节点mymaster的哨兵节点的详细信息
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sentinel get-master-addr-by-name mymaster：获取监控的主节点mymaster的地址信息，前文已有介绍
sentinel is-master-down-by-addr：哨兵节点之间可以通过该命令询问主节点是否下线，从而对是否客观下线做出判断
（2）增加/移除对主节点的监控

sentinel monitor mymaster2 192.168.92.128 16379 2：与部署哨兵节点时配置文件中的sentinel monitor功能完全一样，不再详述

sentinel remove mymaster2：取消当前哨兵节点对主节点mymaster2的监控

（3）强制故障转移

sentinel failover mymaster：该命令可以强制对mymaster执行故障转移，即便当前的主节点运行完好；例如，如果当前主节点所在机器即将 废，便可以提前通过failover命令进行故障转移。

2. 基本原理

关于哨兵的原理，关键是了解以下几个概念。

（1）定时任务：每个哨兵节点维护了3个定时任务。定时任务的功能分别如下：通过向主从节点发送info命令获取最新的主从结构；通过发布订阅功能获取其他哨兵节点的信息；通过向其他节点发送ping命令进行心跳检测，判断是否下线。

（2）主观下线：在心跳检测的定时任务中，如果其他节点超过一定时间没有回复，哨兵节点就会将其进行主观下线。顾名思义，主观下线的意思是一个哨兵节点“主观地”判断下线；与主观下线相对应的是客观下线。

（3）客观下线：哨兵节点在对主节点进行主观下线后，会通过sentinel is-master-down-by-addr命令询问其他哨兵节点该主节点的状态；如果判断主节点下线的哨兵数量达到一定数值，则对该主节点进行客观下线。

需要特别注意的是，客观下线是主节点才有的概念；如果从节点和哨兵节点发生故障，被哨兵主观下线后，不会再有后续的客观下线和故障转移操作。

（4）选举领导者哨兵节点：当主节点被判断客观下线以后，各个哨兵节点会进行协商，选举出一个领导者哨兵节点，并由该领导者节点对其进行故障转移操作。

监视该主节点的所有哨兵都有可能被选为领导者，选举使用的算法是Raft算法；Raft算法的基本思路是先到先得：即在一轮选举中，哨兵A向B发送成为领导者的申请，如果B没有同意过其他哨兵，则会同意A成为领导者。选举的具体过程这里不做详细描述，一般来说，哨兵选择的过程很快，谁先完成客观下线，一般就能成为领导者。

（5）故障转移：选举出的领导者哨兵，开始进行故障转移操作，该操作大体可以分为3个步骤：

在从节点中选择新的主节点：选择的原则是，首先过滤掉不健康的从节点；然后选择优先级最高的从节点(由slave-priority指定)；如果优先级无法区分，则选择复制偏移量最大的从节点；如果仍无法区分，则选择runid最小的从节点。
更新主从状态：通过slaveof no one命令，让选出来的从节点成为主节点；并通过slaveof命令让其他节点成为其从节点。
将已经下线的主节点(即6379)设置为新的主节点的从节点，当6379重新上线后，它会成为新的主节点的从节点。

通过上述几个关键概念，可以基本了解哨兵的工作原理。为了更形象的说明，下图展示了领导者哨兵节点的日志，包括从节点启动到完成故障转移。

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