面试官：为什么 Redis 要有哨兵？

超、凢脫俗 2023-09-28 14:22 173阅读 0赞

### 为什么要有哨兵机制？ ###

在 Redis 的主从架构中，由于主从模式是读写分离的，如果主节点（master）挂了，那么将没有主节点来服务客户端的写操作请求，也没有主节点给从节点（slave）进行数据同步了。

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主节点挂了

这时如果要恢复服务的话，需要人工介入，选择一个「从节点」切换为「主节点」，然后让其他从节点指向新的主节点，同时还需要通知上游那些连接 Redis 主节点的客户端，将其配置中的主节点 IP 地址更新为「新主节点」的 IP 地址。

这样也不太“智能”了，要是有一个节点能监控「主节点」的状态，当发现主节点挂了 ，它自动将一个「从节点」切换为「主节点」的话，那么可以节省我们很多事情啊！

Redis 在 2.8 版本以后提供的**哨兵（*Sentinel*）机制**，它的作用是实现**主从节点故障转移**。它会监测主节点是否存活，如果发现主节点挂了，它就会选举一个从节点切换为主节点，并且把新主节点的相关信息通知给从节点和客户端。

### 哨兵机制是如何工作的？ ###

哨兵其实是一个运行在特殊模式下的 Redis 进程，所以它也是一个节点。从“哨兵”这个名字也可以看得出来，它相当于是“观察者节点”，观察的对象是主从节点。

当然，它不仅仅是观察那么简单，在它观察到有异常的状况下，会做出一些“动作”，来修复异常状态。

哨兵节点主要负责三件事情：**监控、选主、通知**。

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哨兵的职责

所以，我们重点要学习这三件事情：

*  哨兵节点是如何监控节点的？又是如何判断主节点是否真的故障了？
 *  根据什么规则选择一个从节点切换为主节点？
 *  怎么把新主节点的相关信息通知给从节点和客户端呢？

### 如何判断主节点真的故障了？ ###

哨兵会每隔 1 秒给所有主从节点发送 PING 命令，当主从节点收到 PING 命令后，会发送一个响应命令给哨兵，这样就可以判断它们是否在正常运行。

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哨兵监控主从节点

如果主节点或者从节点没有在规定的时间内响应哨兵的 PING 命令，哨兵就会将它们标记为「**主观下线**」。这个「规定的时间」是配置项 `down-after-milliseconds` 参数设定的，单位是毫秒。

> 主观下线？难道还有客观下线？

是的没错，客观下线只适用于主节点。

之所以针对「主节点」设计「主观下线」和「客观下线」两个状态，是因为有可能「主节点」其实并没有故障，可能只是因为主节点的系统压力比较大或者网络发送了拥塞，导致主节点没有在规定时间内响应哨兵的 PING 命令。

所以，为了减少误判的情况，哨兵在部署的时候不会只部署一个节点，而是用多个节点部署成**哨兵集群**（*最少需要三台机器来部署哨兵集群*），**通过多个哨兵节点一起判断，就可以就可以避免单个哨兵因为自身网络状况不好，而误判主节点下线的情况**。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。

具体是怎么判定主节点为「客观下线」的呢？

当一个哨兵判断主节点为「主观下线」后，就会向其他哨兵发起命令，其他哨兵收到这个命令后，就会根据自身和主节点的网络状况，做出赞成投票或者拒绝投票的响应。

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当这个哨兵的赞同票数达到哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的值后，这时主节点就会被该哨兵标记为「客观下线」。

例如，现在有 3 个哨兵，quorum 配置的是 2，那么一个哨兵需要 2 张赞成票，就可以标记主节点为“客观下线”了。这 2 张赞成票包括哨兵自己的一张赞成票和另外两个哨兵的赞成票。

PS：quorum 的值一般设置为哨兵个数的二分之一加1，例如 3 个哨兵就设置 2。

哨兵判断完主节点客观下线后，哨兵就要开始在多个「从节点」中，选出一个从节点来做新主节点。

### 由哪个哨兵进行主从故障转移？ ###

前面说过，为了更加“客观”的判断主节点故障了，一般不会只由单个哨兵的检测结果来判断，而是多个哨兵一起判断，这样可以减少误判概率，所以**哨兵是以哨兵集群的方式存在的**。

问题来了，由哨兵集群中的哪个节点进行主从故障转移呢？

所以这时候，还需要在哨兵集群中选出一个 leeder，让 leeder 来执行主从切换。

选举 leeder 的过程其实是一个投票的过程，在投票开始前，肯定得有个「候选者」。

> 那谁来作为候选者呢？

哪个哨兵节点判断主节点为「客观下线」，这个哨兵节点就是候选者，所谓的候选者就是想当 Leader 的哨兵。

举个例子，假设有三个哨兵。当哨兵 B 先判断到主节点「主观下线后」，就会给其他实例发送 is-master-down-by-addr 命令。接着，其他哨兵会根据自己和主节点的网络连接情况，做出赞成投票或者拒绝投票的响应。

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当哨兵 B 收到赞成票数达到哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的值后，就会将主节点标记为「客观下线」，此时的哨兵 B 就是一个Leader 候选者。

> 候选者如何选举成为 Leader？

候选者会向其他哨兵发送命令，表明希望成为 Leader 来执行主从切换，并让所有其他哨兵对它进行投票。

每个哨兵只有一次投票机会，如果用完后就不能参与投票了，可以投给自己或投给别人，但是只有候选者才能把票投给自己。

那么在投票过程中，任何一个「候选者」，要满足两个条件：

*  第一，拿到半数以上的赞成票；
 *  第二，拿到的票数同时还需要大于等于哨兵配置文件中的 quorum 值。

举个例子，假设哨兵节点有 3 个，quorum 设置为 2，那么任何一个想成为 Leader 的哨兵只要拿到 2 张赞成票，就可以选举成功了。如果没有满足条件，就需要重新进行选举。

这时候有的同学就会问了，如果某个时间点，刚好有两个哨兵节点判断到主节点为客观下线，那这时不就有两个候选者了？这时该如何决定谁是 Leader 呢？

每位候选者都会先给自己投一票，然后向其他哨兵发起投票请求。如果投票者先收到「候选者 A」的投票请求，就会先投票给它，如果投票者用完投票机会后，收到「候选者 B」的投票请求后，就会拒绝投票。这时，候选者 A 先满足了上面的那两个条件，所以「候选者 A」就会被选举为 Leader。

> 为什么哨兵节点至少要有 3 个？

如果哨兵集群中只有 2 个哨兵节点，此时如果一个哨兵想要成功成为 Leader，必须获得 2 票，而不是 1 票。

所以，如果哨兵集群中有个哨兵挂掉了，那么就只剩一个哨兵了，如果这个哨兵想要成为 Leader，这时票数就没办法达到 2 票，就无法成功成为 Leader，这时是无法进行主从节点切换的。

因此，通常我们至少会配置 3 个哨兵节点。这时，如果哨兵集群中有个哨兵挂掉了，那么还剩下两个个哨兵，如果这个哨兵想要成为 Leader，这时还是有机会达到 2 票的，所以还是可以选举成功的，不会导致无法进行主从节点切换。

当然，你要问，如果 3 个哨兵节点，挂了 2 个怎么办？这个时候得人为介入了，或者增加多一点哨兵节点。

再说一个问题，Redis 1 主 4 从，5 个哨兵 ，quorum 设置为 3，如果 2 个哨兵故障，当主节点宕机时，哨兵能否判断主节点“客观下线”？主从能否自动切换？

*  **哨兵集群可以判定主节点“客观下线”**。哨兵集群还剩下 3 个哨兵，当一个哨兵判断主节点“主观下线”后，询问另外 2 个哨兵后，有可能能拿到 3 张赞同票，这时就达到了 quorum 的值，因此，哨兵集群可以判定主节点为“客观下线”。
 *  **哨兵集群可以完成主从切换**。当有个哨兵标记主节点为「客观下线」后，就会进行选举 Leader 的过程，因为此时哨兵集群还剩下 3 个哨兵，那么还是可以拿到半数以上（5/2+1=3）的票，而且也达到了 quorum 值，满足了选举 Leader 的两个条件， 所以就能选举成功，因此哨兵集群可以完成主从切换。

如果 quorum 设置为 2 ，并且如果有 3 个哨兵故障的话。此时哨兵集群还是可以判定主节点为“客观下线”，但是哨兵不能完成主从切换了，大家可以自己推演下。

如果 quorum 设置为 3，并且如果有 3 个哨兵故障的话，哨兵集群即不能判定主节点为“客观下线”，也不能完成主从切换了。

可以看到，quorum 为 2 的时候，并且如果有 3 个哨兵故障的话，虽然可以判定主节点为“客观下线”，但是不能完成主从切换，这样感觉「判定主节点为客观下线」这件事情白做了一样，既然这样，还不如不要做，quorum 为 3 的时候，就可以避免这种无用功。

所以，**quorum 的值建议设置为哨兵个数的二分之一加1**，例如 3 个哨兵就设置 2，5 个哨兵设置为 3，而且**哨兵节点的数量应该是奇数**。

### 主从故障转移的过程是怎样的？ ###

在哨兵集群中通过投票的方式，选举出了哨兵 leader 后，就可以进行主从故障转移的过程了，如下图：

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主从故障转移操作包含以下四个步骤：

*  第一步：在已下线主节点（旧主节点）属下的所有「从节点」里面，挑选出一个从节点，并将其转换为主节点。
 *  第二步：让已下线主节点属下的所有「从节点」修改复制目标，修改为复制「新主节点」；
 *  第三步：将新主节点的 IP 地址和信息，通过「发布者/订阅者机制」通知给客户端；
 *  第四步：继续监视旧主节点，当这个旧主节点重新上线时，将它设置为新主节点的从节点；

#### 步骤一：选出新主节点 ####

故障转移操作第一步要做的就是在已下线主节点属下的所有「从节点」中，挑选出一个状态良好、数据完整的从节点，然后向这个「从节点」发送 SLAVEOF no one 命令，将这个「从节点」转换为「主节点」。

那么多「从节点」，到底选择哪个从节点作为新主节点的？

随机的方式好吗？随机的方式，实现起来很简单，但是如果选到一个网络状态不好的从节点作为新主节点，那么可能在将来不久又要做一次主从故障迁移。

所以，我们首先要把网络状态不好的从节点给过滤掉。首先把已经下线的从节点过滤掉，然后把以往网络连接状态不好的从节点也给过滤掉。

怎么判断从节点之前的网络连接状态不好呢？

Redis 有个叫 down-after-milliseconds \* 10 配置项，其down-after-milliseconds 是主从节点断连的最大连接超时时间。如果在 down-after-milliseconds 毫秒内，主从节点都没有通过网络联系上，我们就可以认为主从节点断连了。如果发生断连的次数超过了 10 次，就说明这个从节点的网络状况不好，不适合作为新主节点。

至此，我们就把网络状态不好的从节点过滤掉了，接下来要对所有从节点进行三轮考察：**优先级、复制进度、ID 号**。在进行每一轮考察的时候，哪个从节点优先胜出，就选择其作为新主节点。

*  第一轮考察：哨兵首先会根据从节点的优先级来进行排序，优先级越小排名越靠前，
 *  第二轮考察：如果优先级相同，则查看复制的下标，哪个从「主节点」接收的复制数据多，哪个就靠前。
 *  第三轮考察：如果优先级和下标都相同，就选择从节点 ID 较小的那个。

第一轮考察：优先级最高的从节点胜出

Redis 有个叫 slave-priority 配置项，可以给从节点设置优先级。

每一台从节点的服务器配置不一定是相同的，我们可以根据服务器性能配置来设置从节点的优先级。

比如，如果 「 A 从节点」的物理内存是所有从节点中最大的， 那么我们可以把「 A 从节点」的优先级设置成最高。这样当哨兵进行第一轮考虑的时候，优先级最高的 A 从节点就会优先胜出，于是就会成为新主节点。

第二轮考察：复制进度最靠前的从节点胜出

如果在第一轮考察中，发现优先级最高的从节点有两个，那么就会进行第二轮考察，比较两个从节点哪个复制进度。

什么是复制进度？主从架构中，主节点会将写操作同步给从节点，在这个过程中，主节点会用 master\_repl\_offset 记录当前的最新写操作在 repl\_backlog\_buffer 中的位置（如下图中的「主服务器已经写入的数据」的位置），而从节点会用 slave\_repl\_offset 这个值记录当前的复制进度（如下图中的「从服务器要读的位置」的位置）。

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如果某个从节点的 slave\_repl\_offset 最接近 master\_repl\_offset，说明它的复制进度是最靠前的，于是就可以将它选为新主节点。

第三轮考察：ID 号小的从节点胜出

如果在第二轮考察中，发现有两个从节点优先级和复制进度都是一样的，那么就会进行第三轮考察，比较两个从节点的 ID 号，ID 号小的从节点胜出。

什么是 ID 号？每个从节点都有一个编号，这个编号就是 ID 号，是用来唯一标识从节点的。

到这里，选主的事情终于结束了。简单给大家总结下：

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在选举出从节点后，哨兵 leader 向被选中的从节点发送 `SLAVEOF no one` 命令，让这个从节点解除从节点的身份，将其变为新主节点。

如下图，哨兵 leader 向被选中的从节点 server2 发送 `SLAVEOF no one` 命令，将该从节点升级为新主节点。

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在发送 `SLAVEOF no one` 命令之后，哨兵 leader 会以每秒一次的频率向被升级的从节点发送 `INFO` 命令（没进行故障转移之前，`INFO` 命令的频率是每十秒一次），并观察命令回复中的角色信息，当被升级节点的角色信息从原来的 slave 变为 master 时，哨兵 leader 就知道被选中的从节点已经顺利升级为主节点了。

如下图，选中的从节点 server2 升级成了新主节点：

![b3bafe1d29f0967116129ad7af095995.png][]

#### 步骤二：将从节点指向新主节点 ####

当新主节点出现之后，哨兵 leader 下一步要做的就是，让已下线主节点属下的所有「从节点」指向「新主节点」，这一动作可以通过向「从节点」发送 `SLAVEOF` 命令来实现。

如下图，哨兵 leader 向所有从节点（server3和server4）发送 `SLAVEOF` ，让它们成为新主节点的从节点。

![97d7dcd0dedf5b4c9782246c7d2594bc.png][]

所有从节点指向新主节点后的拓扑图如下：

![41b976878941544817f32d1aa1efa519.png][]

#### 步骤三：通知客户的主节点已更换 ####

经过前面一系列的操作后，哨兵集群终于完成主从切换的工作，那么新主节点的信息要如何通知给客户端呢？

这主要**通过 Redis 的发布者/订阅者机制来实现**的。每个哨兵节点提供发布者/订阅者机制，客户端可以从哨兵订阅消息。

哨兵提供的消息订阅频道有很多，不同频道包含了主从节点切换过程中的不同关键事件，几个常见的事件如下：

![571831db7a1241adb59ff5ae3870d0ec.jpeg][]

客户端和哨兵建立连接后，客户端会订阅哨兵提供的频道。**主从切换完成后，哨兵就会向 `+switch-master` 频道发布新主节点的 IP 地址和端口的消息，这个时候客户端就可以收到这条信息，然后用这里面的新主节点的 IP 地址和端口进行通信了**。

通过发布者/订阅者机制机制，有了这些事件通知，客户端不仅可以在主从切换后得到新主节点的连接信息，还可以监控到主从节点切换过程中发生的各个重要事件。这样，客户端就可以知道主从切换进行到哪一步了，有助于了解切换进度。

#### 步骤四：将旧主节点变为从节点 ####

故障转移操作最后要做的是，继续监视旧主节点，当旧主节点重新上线时，哨兵集群就会向它发送 `SLAVEOF` 命令，让它成为新主节点的从节点，如下图：

![48eb6a4d37faf0f014cfcb961a73cbab.png][]

至此，整个主从节点的故障转移的工作结束。

### 哨兵集群是如何组成的？ ###

前面提到了 Redis 的发布者/订阅者机制，那就不得不提一下哨兵集群的组成方式，因为它也用到了这个技术。

在我第一次搭建哨兵集群的时候，当时觉得很诧异。因为在配置哨兵的信息时，竟然只需要填下面这几个参数，设置主节点名字、主节点的 IP 地址和端口号以及 quorum 值。

sentinel monitor <master-name> <ip> <redis-port> <quorum>

不需要填其他哨兵节点的信息，我就好奇它们是如何感知对方的，又是如何组成哨兵集群的？

后面才了解到，**哨兵节点之间是通过 Redis 的发布者/订阅者机制来相互发现的**。

在主从集群中，主节点上有一个名为`__sentinel__:hello`的频道，不同哨兵就是通过它来相互发现，实现互相通信的。

在下图中，哨兵 A 把自己的 IP 地址和端口的信息发布到`__sentinel__:hello` 频道上，哨兵 B 和 C 订阅了该频道。那么此时，哨兵 B 和 C 就可以从这个频道直接获取哨兵 A 的 IP 地址和端口号。然后，哨兵 B、C 可以和哨兵 A 建立网络连接。

![8723a151f964adaedc0c98903fb5a6b6.png][]

通过这个方式，哨兵 B 和 C 也可以建立网络连接，这样一来，哨兵集群就形成了。

> 哨兵集群会对「从节点」的运行状态进行监控，那哨兵集群如何知道「从节点」的信息？

主节点知道所有「从节点」的信息，所以哨兵会每 10 秒一次的频率向主节点发送 INFO 命令来获取所有「从节点」的信息。

如下图所示，哨兵 B 给主节点发送 INFO 命令，主节点接受到这个命令后，就会把从节点列表返回给哨兵。接着，哨兵就可以根据从节点列表中的连接信息，和每个从节点建立连接，并在这个连接上持续地对从节点进行监控。哨兵 A 和 C 可以通过相同的方法和从节点建立连接。

![167112c7e1629ba03fc73bc9532c70e9.png][]

正式通过 Redis 的发布者/订阅者机制，哨兵之间可以相互感知，然后组成集群，同时，哨兵又通过 INFO 命令，在主节点里获得了所有从节点连接信息，于是就能和从节点建立连接，并进行监控了。

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参考资料：

*  《Redis 核心技术与实战》
 *  《Redis 设计与实现》

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### 总结 ###

哨兵一般是以集群的方式部署，至少需要 3 个哨兵节点，哨兵集群主要负责三件事情：**监控、选主、通知**。

哨兵节点通过 Redis 的发布者/订阅者机制，哨兵之间可以相互感知，相互连接，然后组成哨兵集群，同时哨兵又通过 INFO 命令，在主节点里获得了所有从节点连接信息，于是就能和从节点建立连接，并进行监控了。

*1、第一轮投票：判断主节点下线*

当哨兵集群中的某个哨兵判定主节点下线（主观下线）后，就会向其他哨兵发起命令，其他哨兵收到这个命令后，就会根据自身和主节点的网络状况，做出赞成投票或者拒绝投票的响应。

当这个哨兵的赞同票数达到哨兵配置文件中的 quorum 配置项设定的值后，这时主节点就会被该哨兵标记为「客观下线」。

*2、第二轮投票：选出哨兵leader*

某个哨兵判定主节点客观下线后，该哨兵就会发起投票，告诉其他哨兵，它想成为 leader，想成为 leader 的哨兵节点，要满足两个条件：

*  第一，拿到半数以上的赞成票；
 *  第二，拿到的票数同时还需要大于等于哨兵配置文件中的 quorum 值。

*3、由哨兵 leader 进行主从故障转移*

选举出了哨兵 leader 后，就可以进行主从故障转移的过程了。该操作包含以下四个步骤：

*  第一步：在已下线主节点（旧主节点）属下的所有「从节点」里面，挑选出一个从节点，并将其转换为主节点，选择的规则：
    
     *  过滤掉已经离线的从节点；
     *  过滤掉历史网络连接状态不好的从节点；
     *  将剩下的从节点，进行三轮考察：优先级、复制进度、ID 号。在每一轮考察过程中，如果找到了一个胜出的从节点，就将其作为新主节点。
 *  第二步：让已下线主节点属下的所有「从节点」修改复制目标，修改为复制「新主节点」；
 *  第三步：将新主节点的 IP 地址和信息，通过「发布者/订阅者机制」通知给客户端；
 *  第四步：继续监视旧主节点，当这个旧主节点重新上线时，将它设置为新主节点的从节点；

完！

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