Redis - 10 高可用4 (哨兵)
Redis 高可用 - 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
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
但这样太麻烦了，并且不智能，如果有一个节点能监控「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，就可以了
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
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
哨兵机制工作原理
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
主要内容：
- 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
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
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
主节点的下线模式
主节点存在两种下线模式：主观下线和客观下线
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
怎么判定主节点为「客观下线」的
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
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。
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
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
由哨兵集群中的哪个节点进行主从故障转移
所以这时候，还需要在哨兵集群中选出一个 leader，让 leader 来执行主从切换
选举 leader 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
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
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
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
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
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
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
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 slave no one
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
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
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
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
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）
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
步骤二：将从节点指向新主节点 SLAVEOF
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
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
步骤三：通知客户端主节点已更换
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
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 slave of
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
哨兵集群是如何组成
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。
在配置哨兵的信息时，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，那它们是如何感知对方的，又是如何组成哨兵集群的
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
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
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
正是通过 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