為什麼 Redis 要有哨兵機制？

作者：小林coding

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大家好，我是小林。

這次聊聊，Redis 的哨兵機制。

提綱

為什麼要有哨兵機制？

在 Redis 的主從架構中，由於主從模式是讀寫分離的，如果主節點（master）掛了，那麼將沒有主節點來服務客戶端的寫操作請求，也沒有主節點給從節點（slave）進行資料同步了。

主節點掛了

這時如果要恢復服務的話，需要人工介入，選擇一個「從節點」切換為「主節點」，然後讓其他從節點指向新的主節點，同時還需要通知上游那些連線 Redis 主節點的客戶端，將其配置中的主節點 IP 地址更新為「新主節點」的 IP 地址。

這樣也不太“智慧”了，要是有一個節點能監控「主節點」的狀態，當發現主節點掛了 ，它自動將一個「從節點」切換為「主節點」的話，那麼可以節省我們很多事情啊！

Redis 在 2.8 版本以後提供的哨兵（Sentinel）機制，它的作用是實現主從節點故障轉移。它會監測主節點是否存活，如果發現主節點掛了，它就會選舉一個從節點切換為主節點，並且把新主節點的相關資訊通知給從節點和客戶端。

哨兵機制是如何工作的？

哨兵其實是一個執行在特殊模式下的 Redis 程式，所以它也是一個節點。從“哨兵”這個名字也可以看得出來，它相當於是“觀察者節點”，觀察的物件是主從節點。

當然，它不僅僅是觀察那麼簡單，在它觀察到有異常的狀況下，會做出一些“動作”，來修復異常狀態。

哨兵節點主要負責三件事情：監控、選主、通知。

哨兵的職責

所以，我們重點要學習這三件事情：

• 哨兵節點是如何監控節點的？又是如何判斷主節點是否真的故障了？
• 根據什麼規則選擇一個從節點切換為主節點？
• 怎麼把新主節點的相關資訊通知給從節點和客戶端呢？

如何判斷主節點真的故障了？

哨兵會週期性地給所有主從節點傳送 PING 命令，當主從節點收到 PING 命令後，會傳送一個響應命令給哨兵，這樣就可以判斷它們是否在正常執行。

哨兵監控主從節點

如果主節點或者從節點沒有在規定的時間內響應哨兵的 PING 命令，哨兵就會將它們標記為「主觀下線」。這個「規定的時間」是配置項 down-after-milliseconds 引數設定的，單位是毫秒。

主觀下線？難道還有客觀下線？

是的沒錯，客觀下線只適用於主節點。

之所以針對「主節點」設計「主觀下線」和「客觀下線」兩個狀態，是因為有可能「主節點」其實並沒有故障，可能只是因為主節點的系統壓力比較大或者網路傳送了擁塞，導致主節點沒有在規定時間內響應哨兵的 PING 命令。

所以，為了減少誤判的情況，哨兵在部署的時候不會只部署一個節點，而是用多個節點部署成哨兵叢集（最少需要三臺機器來部署哨兵叢集），通過多個哨兵節點一起判斷，就可以就可以避免單個哨兵因為自身網路狀況不好，而誤判主節點下線的情況。同時，多個哨兵的網路同時不穩定的概率較小，由它們一起做決策，誤判率也能降低。

具體是怎麼判定主節點為「客觀下線」的呢？

當一個哨兵判斷主節點為「主觀下線」後，就會向其他哨兵發起命令，其他哨兵收到這個命令後，就會根據自身和主節點的網路狀況，做出贊成投票或者拒絕投票的響應。

當這個哨兵的贊同票數達到哨兵配置檔案中的 quorum 配置項設定的值後，這時主節點就會被該哨兵標記為「客觀下線」。

例如，現在有 3 個哨兵，quorum 配置的是 2，那麼一個哨兵需要 2 張贊成票，就可以標記主節點為“客觀下線”了。這 2 張贊成票包括哨兵自己的一張贊成票和另外兩個哨兵的贊成票。

PS：quorum 的值一般設定為哨兵個數的二分之一加1，例如 3 個哨兵就設定 2。

哨兵判斷完主節點客觀下線後，哨兵就要開始在多個「從節點」中，選出一個從節點來做新主節點。

如何選新主節點？

那麼多「從節點」，到底選擇哪個從節點作為新主節點的？

隨機的方式好嗎？隨機的方式，實現起來很簡單，但是如果選到一個網路狀態不好的從節點作為新主節點，那麼可能在將來不久又要做一次主從故障遷移。

所以，我們首先要把網路狀態不好的從節點給過濾掉。首先把已經下線的從節點過濾掉，然後把以往網路連線狀態不好的從節點也給過濾掉。

怎麼判斷從節點之前的網路連線狀態不好呢？

Redis 有個叫 down-after-milliseconds * 10 配置項，其down-after-milliseconds 是主從節點斷連的最大連線超時時間。如果在 down-after-milliseconds 毫秒內，主從節點都沒有通過網路聯絡上，我們就可以認為主從節點斷連了。如果發生斷連的次數超過了 10 次，就說明這個從節點的網路狀況不好，不適合作為新主節點。

至此，我們就把網路狀態不好的從節點過濾掉了，接下來要對所有從節點進行三輪考察：優先順序、複製進度、ID 號。在進行每一輪考察的時候，哪個從節點優先勝出，就選擇其作為新主節點。

• 第一輪考察：哨兵首先會根據從節點的優先順序來進行排序，優先順序越小排名越靠前，
• 第二輪考察：如果優先順序相同，則檢視複製的下標，哪個從「主節點」接收的複製資料多，哪個就靠前。
• 第三輪考察：如果優先順序和下標都相同，就選擇從節點 ID 較小的那個。

第一輪考察：優先順序最高的從節點勝出

Redis 有個叫 slave-priority 配置項，可以給從節點設定優先順序。

每一臺從節點的伺服器配置不一定是相同的，我們可以根據伺服器效能配置來設定從節點的優先順序。

比如，如果 「 A 從節點」的實體記憶體是所有從節點中最大的， 那麼我們可以把「 A 從節點」的優先順序設定成最高。這樣當哨兵進行第一輪考慮的時候，優先順序最高的 A 從節點就會優先勝出，於是就會成為新主節點。

第二輪考察：複製進度最靠前的從節點勝出

如果在第一輪考察中，發現優先順序最高的從節點有兩個，那麼就會進行第二輪考察，比較兩個從節點哪個複製進度。

什麼是複製進度？主從架構中，主節點會將寫操作同步給從節點，在這個過程中，主節點會用 master_repl_offset 記錄當前的最新寫操作在 repl_backlog_buffer 中的位置，而從節點會用 slave_repl_offset 這個值記錄當前的複製進度。

如果某個從節點的 slave_repl_offset 最接近 master_repl_offset，說明它的複製進度是最靠前的，於是就可以將它選為新主節點。

第三輪考察：ID 號小的從節點勝出

如果在第二輪考察中，發現有兩個從節點優先順序和複製進度都是一樣的，那麼就會進行第三輪考察，比較兩個從節點的 ID 號，ID 號小的從節點勝出。

什麼是 ID 號？每個從節點都有一個編號，這個編號就是 ID 號，是用來唯一標識從節點的。

到這裡，選主的事情終於結束了。簡單給大家總結下：

• 過濾掉已經離線的從節點；
• 過濾掉歷史網路連線狀態不好的從節點；
• 將剩下的從節點，進行三輪考察：優先順序、複製進度、ID 號。在每一輪考察過程中，如果找到了一個勝出的從節點，就將其作為新主節點。

由哪個哨兵進行主從故障轉移？

前面說過，為了更加“客觀”的判斷主節點故障了，一般不會只由單個哨兵的檢測結果來判斷，而是多個哨兵一起判斷，這樣可以減少誤判概率，所以哨兵是以哨兵叢集的方式存在的。

那在選定了即將作為主節點的從節後，由哨兵叢集中的哪個節點進行主從故障轉移呢？

所以這時候，還需要在哨兵叢集中選出一個 leeder，讓 Leader 來執行主從切換。

選舉 leeder 的過程其實是一個投票的過程，在投票開始前，肯定得有個「候選者」。

那誰來作為候選者呢？

哪個哨兵節點判斷主節點為「客觀下線」，這個哨兵節點就是候選者，所謂的候選者就是想當 Leader 的哨兵。

舉個例子，假設有三個哨兵。當哨兵 A 先判斷到主節點「主觀下線後」，就會給其他例項傳送 is-master-down-by-addr 命令。接著，其他哨兵會根據自己和主節點的網路連線情況，做出贊成投票或者拒絕投票的響應。

當哨兵 A 收到贊成票數達到哨兵配置檔案中的 quorum 配置項設定的值後，就會將主節點標記為「客觀下線」，此時的哨兵 A 就是一個Leader 候選者。

候選者如何選舉成為 Leader？

候選者會向其他哨兵傳送命令，表明希望成為 Leader 來執行主從切換，並讓所有其他哨兵對它進行投票。

每個哨兵只有一次投票機會，如果用完後就不能參與投票了，可以投給自己或投給別人，但是隻有候選者才能把票投給自己。

那麼在投票過程中，任何一個「候選者」，要滿足兩個條件：

• 第一，拿到半數以上的贊成票；
• 第二，拿到的票數同時還需要大於等於哨兵配置檔案中的 quorum 值。

舉個例子，假設哨兵節點有 3 個，quorum 設定為 2，那麼任何一個想成為 Leader 的哨兵只要拿到 2 張贊成票，就可以選舉成功了。如果沒有滿足條件，就需要重新進行選舉。

這時候有的同學就會問了，如果某個時間點，剛好有兩個哨兵節點判斷到主節點為客觀下線，那這時不就有兩個候選者了？這時該如何決定誰是 Leader 呢？

每位候選者都會先給自己投一票，然後向其他哨兵發起投票請求。如果投票者先收到「候選者 A」的投票請求，就會先投票給它，如果投票者用完投票機會後，收到「候選者 B」的投票請求後，就會拒絕投票。這時，候選者 A 先滿足了上面的那兩個條件，所以「候選者 A」就會被選舉為 Leader。

為什麼哨兵節點至少要有 3 個？

如果哨兵叢集中只有 2 個哨兵節點，此時如果一個哨兵想要成功成為 Leader，必須獲得 2 票，而不是 1 票。

所以，如果哨兵叢集中有個哨兵掛掉了，那麼就只剩一個哨兵了，如果這個哨兵想要成為 Leader，這時票數就沒辦法達到 2 票，就無法成功成為 Leader，這時是無法進行主從節點切換的。

因此，通常我們至少會配置 3 個哨兵節點。這時，如果哨兵叢集中有個哨兵掛掉了，那麼還剩下兩個個哨兵，如果這個哨兵想要成為 Leader，這時還是有機會達到 2 票的，所以還是可以選舉成功的，不會導致無法進行主從節點切換。

當然，你要問，如果 3 個哨兵節點，掛了 2 個怎麼辦？這個時候得人為介入了，或者增加多一點哨兵節點。

再說一個問題，Redis 1 主 4 從，5 個哨兵 ，quorum 設定為 3，如果 2 個哨兵故障，當主節點當機時，哨兵能否判斷主節點“客觀下線”？主從能否自動切換？

• 哨兵叢集可以判定主節點“客觀下線”。哨兵叢集還剩下 3 個哨兵，當一個哨兵判斷主節點“主觀下線”後，詢問另外 2 個哨兵後，有可能能拿到 3 張贊同票，這時就達到了 quorum 的值，因此，哨兵叢集可以判定主節點為“客觀下線”。

• 哨兵叢集可以完成主從切換。當有個哨兵標記主節點為「客觀下線」後，就會進行選舉 Leader 的過程，因為此時哨兵叢集還剩下 3 個哨兵，那麼還是可以拿到半數以上（5/2+1=3）的票，而且也達到了 quorum 值，滿足了選舉 Leader 的兩個條件， 所以就能選舉成功，因此哨兵叢集可以完成主從切換。

如果 quorum 設定為 2 ，並且如果有 3 個哨兵故障的話。此時哨兵叢集還是可以判定主節點為“客觀下線”，但是哨兵不能完成主從切換了，大家可以自己推演下。

如果 quorum 設定為 3，並且如果有 3 個哨兵故障的話，哨兵叢集即不能判定主節點為“客觀下線”，也不能完成主從切換了。

可以看到，quorum 為 2 的時候，並且如果有 3 個哨兵故障的話，雖然可以判定主節點為“客觀下線”，但是不能完成主從切換，這樣感覺「判定主節點為客觀下線」這件事情白做了一樣，既然這樣，還不如不要做，quorum 為 3 的時候，就可以避免這種無用功。

所以，quorum 的值建議設定為哨兵個數的二分之一加1，例如 3 個哨兵就設定 2，5 個哨兵設定為 3，而且哨兵節點的數量應該是奇數。

如何通知客戶端新主節點的資訊？

經過前面一系列的操作後，哨兵叢集終於完成了主從故障遷移，那麼新主節點的資訊要如何通知給客戶端呢？

這主要通過 Redis 的釋出者/訂閱者機制來實現的。每個哨兵節點提供釋出者/訂閱者機制，客戶端可以從哨兵訂閱訊息。

比如，客戶端訂閱了主從切換的事件，當哨兵把新主節點選擇出來後，就會發布新主節點的 IP 地址和埠資訊，這個時候客戶端就可以收到這條資訊，然後用這裡面的新主節點的 IP 地址和埠進行通訊了。

哨兵叢集是如何組成的？

前面提到了 Redis 的釋出者/訂閱者機制，那就不得不提一下哨兵叢集的組成方式，因為它也用到了這個技術。

在我第一次搭建哨兵叢集的時候，當時覺得很詫異。因為在配置哨兵的資訊時，竟然只需要填下面這幾個引數，設定主節點名字、主節點的 IP 地址和埠號以及 quorum 值。

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

不需要填其他哨兵節點的資訊，我就好奇它們是如何感知對方的，又是如何組成哨兵叢集的？

後面才瞭解到，哨兵節點之間是通過 Redis 的釋出者/訂閱者機制來相互發現的。

在主從叢集中，主節點上有一個名為__sentinel__:hello的頻道，不同哨兵就是通過它來相互發現，實現互相通訊的。

在下圖中，哨兵 A 把自己的 IP 地址和埠的資訊釋出到__sentinel__:hello 頻道上，哨兵 B 和 C 訂閱了該頻道。那麼此時，哨兵 B 和 C 就可以從這個頻道直接獲取哨兵 A 的 IP 地址和埠號。然後，哨兵 B、C 可以和哨兵 A 建立網路連線。

通過這個方式，哨兵 B 和 C 也可以建立網路連線，這樣一來，哨兵叢集就形成了。

哨兵叢集會對「從節點」的執行狀態進行監控，那哨兵叢集如何知道「從節點」的資訊？

主節點知道所有「從節點」的資訊，所以哨兵會向主節點傳送 INFO 命令來獲取所有「從節點」的資訊。

如下圖所示，哨兵 B 給主節點傳送 INFO 命令，主節點接受到這個命令後，就會把從節點列表返回給哨兵。接著，哨兵就可以根據從節點列表中的連線資訊，和每個從節點建立連線，並在這個連線上持續地對從節點進行監控。哨兵 A 和 C 可以通過相同的方法和從節點建立連線。

正式通過 Redis 的釋出者/訂閱者機制，哨兵之間可以相互感知，然後組成叢集，同時，哨兵又通過 INFO 命令，在主節點裡獲得了所有從節點連線資訊，於是就能和從節點建立連線，並進行監控了。

總結

Redis 在 2.8 版本以後提供的哨兵（Sentinel）機制，它的作用是實現主從節點故障轉移。它會監測主節點是否存活，如果發現主節點掛了，它就會選舉一個從節點切換為主節點，並且把新主節點的相關資訊通知給從節點和客戶端。

哨兵一般是以叢集的方式部署，至少需要 3 個哨兵節點，哨兵叢集主要負責三件事情：監控、選主、通知。

哨兵節點通過 Redis 的釋出者/訂閱者機制，哨兵之間可以相互感知，相互連線，然後組成哨兵叢集，同時哨兵又通過 INFO 命令，在主節點裡獲得了所有從節點連線資訊，於是就能和從節點建立連線，並進行監控了。

哨兵叢集會通過投票的方式判定主節點是否「客觀下線」，如果判定主節點為客觀下線，那麼就會從所有的「從節點」中選擇一個作為新主節點，選擇的規則有以下步驟：

• 過濾掉已經離線的從節點；
• 過濾掉歷史網路連線狀態不好的從節點；
• 將剩下的從節點，進行三輪考察：優先順序、複製進度、ID 號。在每一輪考察過程中，如果找到了一個勝出的從節點，就將其作為新主節點。

選擇好從節點後，就需要從哨兵叢集選擇一個 leader 執行主從切換。選舉 leader 的過程，也是一個投票的過程，任何一個想成為 leader 的哨兵節點，要滿足兩個條件：

• 第一，拿到半數以上的贊成票；
• 第二，拿到的票數同時還需要大於等於哨兵配置檔案中的 quorum 值。

選舉完 leader 哨兵節點後，就執行主從切換。完成主從切換後，通過 Redis 的釋出者/訂閱者機制通知客戶端新主節點的 IP 地址和埠。

完！