Redis数据库笔记—

大家好，这里是Good Note，关注公主号：Goodnote，专栏文章私信限时Free。本文详细介绍Redis的主从复制模式，包括作用，原因，工作原理，同步流程等。

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文章目录

主从复制
什么是 Redis 主从复制？
为什么需要 Redis 主从复制？
Redis 主从复制的作用
主从复制工作原理
第一阶段：建立连接过程
第二阶段：数据同步阶段
第三阶段：命令传播阶段

主从复制（全量复制 + 部分复制）流程
1. 从节点发送指令 `psync ? 1`
2. 主节点执行 `bgsave`，生成 RDB 文件
3. 主节点返回 `+FULLRESYNC runid offset`
4. 从节点执行全量复制
5. 从节点发送指令 `psync runid offset`
6. 主节点接收 `psync` 指令，判断 `runid` 和 `offset`
7. 如果 `runid` 和 `offset` 校验通过
8. 从节点接收到 `+CONTINUE`，恢复数据

补充
1. 服务器的运行 ID（run ID）
2. 复制偏移量（offset）
3. 复制积压缓冲区（Replication Backlog）
4. 心跳机制

主从复制常见问题及优化
1. 复制延迟
2. 全量复制性能问题
3.网络带宽和连接稳定性问题
4. 主从节点的数据一致性问题
5. 从节点负载过高
6. 故障恢复和故障转移问题

历史文章
MySQL数据库
Redis

主从复制

什么是 Redis 主从复制？

Redis 主从复制是一种将主节点（master）上的数据同步到其他从节点（slave）Redis 实例的机制。数据复制是单向的，只能从主节点同步到从节点，或者层级复制。

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主节点（Master）：负责写操作。
从节点（Slave）：负责读操作，复制主节点的数据。
默认配置：每台 Redis 服务器默认启动时都是主节点（Master），但是通过配置，可以将某些 Redis 服务器设置为从节点（Slave），从节点是通过配置来指定的，不是自动的。
树形结构：一个主节点可以有多个从节点，一个从节点只能有一个主节点。

节点数量：

1个主节点，多个从节点 是标准的主从复制架构。
多个主节点 和 多个从节点 配置，适用于 Redis 集群模式，这种模式下每个主节点负责一个数据分片，每个分片可以有多个从节点。
主节点的数量通常较少（通常是一个），而从节点的数量可以根据需要增加。

为什么需要 Redis 主从复制？

在单机模式下，存在以下两个问题：

服务器宕机：一旦服务器宕机，数据会直接丢失。
提高系统的负载能力：实现读写分离，通过增加多个从节点来分担主节点的读取请求。

通过主从复制，数据可以保存在多个服务器上，并且确保每个服务器的数据是同步的。即使某一台服务器宕机，也不会影响服务的持续运行，Redis 可以继续提供高可用性，并实现数据的冗余备份。

有的文章中还提到，单机模式还存在内存限制问题：单台服务器的内存有限，无法进行无限制的扩展。

但是主从复制本身并不会直接解决内存问题，在 Redis 主从复制 中，主节点（Master）和从节点（Slave）存储的是 相同的数据，因为从节点是通过复制主节点的写操作来保持数据同步的。这意味着，从节点的内存和主节点的内存内容基本相同。只是从节点主要用来处理读取请求，而主节点处理写入请求，可以通过增加多个从节点来分担读取压力，从而提高系统的负载能力。
单节点的内存限制问题需要通过 Redis 集群模式（数据分片）来解决，通过在多个 Redis 节点之间分布数据来突破单机的内存限制。

Redis 主从复制的作用

数据冗余：主从复制实现了数据的热备份，这是持久化以外的另一种数据备份方式。
故障恢复：当主节点（master）出现问题时，可以由从节点（slave）提供服务，实现快速恢复故障，从而保证服务不间断，提升服务的冗余性。
读写分离：主节点主要负责写操作，从节点主要负责读操作，能够有效提高服务器的负载能力。在读写分离的情况下，可以根据需求动态调整从节点数量，提升系统的处理能力。
负载均衡：通过主从复制，可以实现负载均衡。主节点提供写服务，从节点提供读服务，在读多写少的场景下，通过多个从节点分担读取负载，极大提高 Redis 的并发能力。
高可用的基石：主从复制是 Redis 哨兵（Sentinel）和 Redis 集群（Cluster）实现高可用性的基础。因此，主从复制是 Redis 高可用架构的关键组成部分。

主从复制工作原理

主从复制的完整工作流程分为以下三个阶段，每个阶段都有自己的内部工作流程。接下来，我们将对这三个过程进行详细讨论：

建立连接过程：从节点（slave）向主节点（master）建立连接的过程。
数据同步过程：主节点向从节点同步数据的过程。
命令传播过程：这是反复同步数据的过程，用于保持主从节点的数据一致性。

第一阶段：建立连接过程

建立连接过程的详细步骤如下：

设置主节点地址和端口：从节点（Slave）首先需要配置主节点（Master）的地址和端口信息，以便能够建立连接。
建立 socket 连接：从节点通过网络与主节点建立 TCP socket 连接，这是 Redis 主从复制建立连接的基础。
发送 PING 命令保持连接：为了确保连接的持续性，从节点会定期向主节点发送 PING 命令。如果连接断开或丢失，主节点会在某些情况下重新启动连接过程。
身份验证：如果 Redis 配置了 密码认证，从节点需要通过发送 AUTH 命令来验证自己是否有权限进行复制和同步。此步骤确保从节点有足够的权限访问主节点。
发送端口信息：从节点在建立连接后，会将自己的 IP 地址和端口 发送给主节点。这样，主节点就能知道从节点的具体地址，便于在后续的同步过程中建立数据传输。
保存主从节点信息：一旦连接成功，主节点将记录从节点的连接信息（包括从节点的 IP 和端口等），并为后续的数据同步过程做好准备。从节点也会保存主节点的连接信息，以便在故障恢复时重新连接。

主动连接和被动连接：在 Redis 中，从节点会主动连接主节点。主节点通常不会主动连接从节点。

连接持续性：通过 心跳机制（PING 命令）保持连接，确保主从节点之间的连接稳定并及时检测异常。

第二阶段：数据同步阶段

数据同步阶段需要经过使用 RDB 快照的全量复制（第一次连接时才会用）和积压缓冲区数据的部分复制两阶段：

全量复制：
- 当从节点第一次连接主节点时，主节点会执行 全量复制，即将 主节点的所有数据（包括所有数据库的键值对）一次性发送给从节点。这是不可避免的，因为从节点需要完全初始化自己的数据副本。
- 这个过程通常是通过 RDB 快照 来完成的，主节点会将 RDB 文件中的数据发送给从节点。
部分复制：
- 完成全量复制后，从节点会继续监听主节点，接收主节点的 增量数据。
- 部分复制 是指在从节点完成全量复制后，主节点会将其 复制积压缓冲区 中的增量数据（即主节点自从节点上次同步后新增的数据）发送给从节点，确保从节点的数据是最新的。
- 部分复制的过程是实时进行的，主节点会将写入操作（如 SET、HSET 等命令）记录到复制积压缓冲区，并将这些命令同步给所有的从节点。
复制缓冲区：
- 主节点使用 复制积压缓冲区 来存储自从节点上次同步后的数据变更。当从节点在某段时间内无法同步时，主节点会在缓冲区中保留增量数据，确保即使从节点滞后，依然能够通过缓冲区补齐差距。
- 这个缓冲区的大小是有限的，通常由配置项 repl-backlog-size 控制。当缓冲区满时，较旧的数据会被丢弃，因此如果从节点长时间落后，可能无法完全通过复制积压缓冲区来恢复丢失的数据。

值得强调的是，从节点并非每次都会进行全量复制，只有第一次连接时会进行全量复制，后续大部分时间是通过 部分复制 来维持主从同步。

全量复制：从节点首次连接时获取主节点所有数据，通常通过 RDB 快照进行。
部分复制：全量复制后，主节点将增量数据（写操作）实时同步给从节点，保证数据的一致性。
复制缓冲区：主节点的增量数据存储缓冲区，帮助从节点追赶主节点的更新。

第三阶段：命令传播阶段

命令传播阶段是主从数据同步的持续过程，当主节点的数据库被修改时，从节点需要更新数据，以保持主从数据一致性。

当 主节点 接收到数据变更命令时，会实时将这些命令发送给 从节点。
从节点接收到命令后，会执行相应操作，确保主从数据一致。

以下是命令传播阶段的详细介绍：

主节点处理写操作

当主节点接收到客户端的写请求时（如 SET、DEL、LPUSH 等），主节点会：
- 执行数据变更操作。
- 将这些变更操作（即写命令）广播给所有从节点。
主节点将命令发送给从节点

主节点会将所有数据变更命令通过 命令传播 发送给它的从节点。命令的传播是异步的，并且是实时的。具体来说：
- 主节点会将数据变更命令（如写命令）按顺序发送到所有的从节点。
- 从节点在接收到这些命令后，会将命令应用于自己的数据副本。
从节点接收并执行命令

每个从节点会在收到主节点的命令后，立即执行对应的操作。这个过程保证了从节点的数据与主节点的数据始终保持一致。
- 从节点执行命令：当从节点收到来自主节点的写命令时，它会在自己的数据库上执行该命令，更新自身的数据副本。
- 命令的实时性：这些命令是实时发送的，因此，主节点的任何数据修改都将立刻传播到从节点。
传输阶段的部分复制：
第二阶段：数据同步阶段阶段的部分复制中指出，Redis 使用了复制积压缓冲区，这个缓冲区存储主节点和从节点之间的增量数据（如写命令）。同时，如果从节点由于某些原因掉线或者暂时无法同步数据，主节点也会将积压的命令数据发送给积压缓冲区。
- 在命令传播阶段，如果发生断网或 网络抖动，可能导致主从连接中断（connection lost）。
- 即便如此，主节点会继续往 复制缓冲区（replbackbuffer） 写入数据。
- 从节点会继续尝试重新连接到主节点（connect to master）。
- 一旦从节点成功重新连接，它会将自己的 runid 和 复制偏移量 发送给主节点，并执行 PSYNC 命令来同步数据。
- 如果主节点判断偏移量在复制缓冲区的有效范围内，主节点会返回 continue 命令，并将复制缓冲区中的数据发送给从节点。
- 从节点接收到数据后，会执行 BGREWRITEAOF，通过恢复数据来同步主从状态。
这个过程确保了主从数据的一致性，即使在网络中断等情况下，主节点和从节点也能够通过积压缓冲区重新同步数据。

保持主从数据一致性：通过实时的命令传播机制，主节点和从节点的状态始终保持同步。即使在高并发的环境中，主节点的修改会迅速传递到所有从节点，确保数据一致性。

命令传播的异步性：虽然命令传播是实时的，但它是 异步的。这意味着：

主节点发送命令后，不需要等待从节点执行完命令才继续处理其他请求。
从节点独立地执行命令，并在自己的数据库中更新数据，主节点不需要等待确认。

主从复制（全量复制 + 部分复制）流程

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全量复制：1-4是全量复制。指从节点第一次连接主节点时，主节点将全部数据通过 RDB 文件发送给从节点。这是初始化过程，无法避免。
部分复制：5-8是部分复制。在全量复制后，主节点会持续接收客户端的数据更新，主节点的 offset 会随时变化。这些更新会通过复制缓冲区发送给从节点。部分复制能够保证主从节点数据的一致性，避免每次都进行全量复制。

主从复制的过程可以分为全量复制和部分复制，下面是详细的流程讲解：

1. 从节点发送指令 `psync ? 1`

第一次连接：当从节点第一次连接到主节点时，它并不知道主节点的 runid 和 offset，因此从节点发送 psync ? 1 指令，表示它希望获取主节点的全部数据。
psync ? 1 触发了全量复制过程。

2. 主节点执行 `bgsave`，生成 RDB 文件

主节点开始执行 bgsave 操作，生成 RDB 文件并记录当前的复制偏移量 offset。
此时，主节点会保存自己的 runid 和 offset。

3. 主节点返回 `+FULLRESYNC runid offset`

主节点将自己的 runid 和 offset 通过 +FULLRESYNC runid offset 指令返回给从节点，并通过 socket 发送 RDB 文件给从节点。
从节点接收到 +FULLRESYNC 后，会保存主节点的 runid 和 offset，然后清空当前的所有数据，通过 socket 接收 RDB 文件并开始恢复数据。

4. 从节点执行全量复制

从节点通过接收到的 RDB 文件恢复数据，完成 全量复制。

5. 从节点发送指令 `psync runid offset`

在全量复制完成后，从节点已经获取到主节点的 runid 和 offset，接下来它会发送 psync runid offset 指令。
这时，从节点通过指令向主节点询问是否可以继续进行部分复制。

6. 主节点接收 `psync` 指令，判断 `runid` 和 `offset`

主节点接收到 psync 指令后，首先判断从节点提供的 runid 是否匹配。如果 runid 不匹配，说明从节点重启过，这时会重新开始全量复制。
然后主节点判断从节点提供的 offset 是否在复制缓冲区中。如果 offset 不在复制缓冲区中，意味着从节点在重新连接时，复制缓冲区已溢出，主节点会继续执行全量复制。

7. 如果 `runid` 和 `offset` 校验通过

如果 runid 和 offset 校验通过，且从节点的 offset 与主节点的 offset 相同，则从节点无需任何额外操作。
如果 offset 不同，主节点会发送 +CONTINUE offset，将复制缓冲区中的数据发送给从节点，直到从节点的 offset 与主节点一致。

8. 从节点接收到 `+CONTINUE`，恢复数据

从节点收到 +CONTINUE 后，会保存主节点的 offset，然后通过 socket 接收主节点的数据，并执行 bgrewriteaof，通过重写 AOF 文件恢复数据。

补充

在 Redis 的 部分复制 流程中，确实有三个核心要素非常重要，它们分别是 服务器的运行 ID（run ID）、复制偏移量（offset） 和 复制积压缓冲区。这些元素的配合保证了从节点能够在断线重连后，尽量使用增量数据来恢复，而不是每次都进行全量复制。下面是每个核心概念的详细介绍：

1. 服务器的运行 ID（run ID）

定义：runid 是 Redis 在启动时自动生成的一个随机字符串，通常是 40 个十六进制字符（例如 f2e87b72f3c4d4d83df456f5e673be2baedb6e4f），用于唯一标识一个 Redis 节点。每次 Redis 重启时，runid 都会重新生成，因此不同的启动周期会有不同的 runid。
作用：
- runid 用于标识 Redis 主节点（master）和从节点（slave）之间的唯一连接关系。它对于主从复制中的部分复制至关重要。
- 在 部分复制 过程中，如果从节点断开连接后重新连接，主节点会检查从节点传递过来的 runid 是否和当前主节点的 runid 相同。如果相同，则表示从节点与主节点的身份一致，可以进行部分复制。
- 如果 runid 不匹配（比如从节点重启了），主节点会认为从节点是一个新的实例，会重新进行 全量复制。
如何查看 runid：
- 可以使用 INFO replication 命令查看 Redis 节点的 runid，例如：
```
redis-cli INFO replication
```
  输出中的 master_run_id 或 run_id 表示主节点的运行 ID。
全量复制 vs 部分复制：
- 当从节点断开重连时，如果其保存的 runid 与主节点当前的 runid 不匹配（即主节点已重启），主节点会触发全量复制。
- 如果 runid 匹配，且复制的偏移量（offset）在复制缓冲区中有效，从节点可以通过增量方式继续复制数据（部分复制）。

2. 复制偏移量（offset）

定义：offset 是主节点用来标识当前数据流位置的一个数字，表示主节点已经发送了多少条数据。每当一个命令被写入主节点的 AOF 文件或复制缓冲区时，都会为该命令分配一个唯一的 offset。
作用：
- offset 主要用来标识复制缓冲区中的数据流进度，确保主从节点的数据同步。
- 它帮助从节点在恢复时，知道自己已经处理到哪个数据点，并通过比较主节点的 offset 和从节点的 offset 来确定是否需要继续同步数据。
- 如果从节点在复制过程中断开连接，断开时的 offset 会被保存，以便重新连接时，主节点可以继续从断开的 offset 处发送数据。
如何使用 offset：
- 主节点记录发送给从节点的命令的 offset，并在从节点重新连接时，与从节点发送的 offset 对比。如果从节点的 offset 过期或不在复制缓冲区中，主节点会执行全量复制。
- 如果从节点的 offset 有效，主节点会继续发送增量数据（即复制缓冲区中尚未发送的数据）。

3. 复制积压缓冲区（Replication Backlog）

定义：复制积压缓冲区是 Redis 为了处理 部分复制 而引入的一个内存缓冲区。它是一个先进先出（FIFO）的队列，用于存储主节点最新的数据变更命令。当主节点接收到写命令时，它会将命令记录到该缓冲区中，并为每个命令分配一个 offset。
缓冲区的大小：
- 默认情况下，复制积压缓冲区的大小是 1MB。可以通过 repl-backlog-size 配置项调整其大小。
- 若主节点的写操作量大于缓冲区的大小，早期的命令会被挤出缓冲区，导致从节点无法通过部分复制恢复这些数据。
作用：
- 在 部分复制 中，当从节点与主节点断开连接时，主节点会继续向复制积压缓冲区写入数据。当从节点重新连接时，主节点会检查从节点提供的 offset 是否在复制缓冲区中。如果在缓冲区中，主节点将从缓冲区发送增量数据给从节点，直到从节点的数据同步完成。
- 如果复制缓冲区中的数据被挤出（因为数据量大于缓冲区的大小），主节点将无法为从节点提供增量数据，导致需要执行 全量复制。
为什么复制缓冲区可能导致全量复制：
- 如果主节点在某一时刻接收到大量的写命令，这些命令可能会迅速填满复制积压缓冲区，超出缓冲区的大小。当从节点与主节点断开连接时，部分数据可能已经被覆盖，无法恢复。
- 这种情况会导致从节点无法获取完整的增量数据，从而触发全量复制，恢复数据。

4. 心跳机制

在 Redis 中，心跳机制（Heartbeat Mechanism）机制非常重要，尤其是在高并发环境中，它帮助 Redis 及时发现网络问题或连接中断，保证主从复制的稳定性。它是通过定期发送 PING 命令来实现的。

作用：

保证复制的稳定性：Redis 的主从复制机制要求主节点和从节点之间保持稳定的连接。通过心跳机制，Redis 可以及时发现连接中断或网络问题，并采取适当的恢复措施。
防止连接超时：Redis 默认的网络连接有超时限制，心跳机制可以防止由于长时间没有数据传输而导致的连接超时。
实时检测异常：在高负载的情况下，Redis 可以通过心跳命令及时发现连接丢失，避免在从节点掉线后还继续同步数据。

工作原理：
Redis 的心跳机制主要通过定期发送 PING 和 PONG 命令来保持主从节点之间的连接活跃，确保在主从数据同步过程中连接不被中断。以下是 Redis 心跳机制的详细工作原理：

主节点和从节点的心跳：
- 从节点：从节点定期向主节点发送 PING 命令，表明它仍然活跃并且希望保持与主节点的连接。
- 主节点：主节点也会定期向从节点发送 PING 命令，以确认从节点的状态。如果从节点没有响应，则可能意味着连接存在问题，主节点会中断该连接并重新尝试连接。
确保连接活跃
- 在主从复制的过程中，Redis 通过心跳命令确保主节点和从节点之间的连接一直保持活跃，即使在没有任何数据传输的情况下。
- 如果主节点与从节点之间长时间没有数据交互，Redis 会通过发送心跳命令保持连接的持续性，防止连接因超时被关闭。
检测和恢复连接
- 如果从节点在指定时间内没有回应主节点的 PING 请求，主节点会认为该从节点的连接已经丢失，可能会尝试重新建立连接。
- 如果主节点没有回应从节点的心跳请求（PING），从节点会认为主节点掉线，并可能重新连接或进行其他恢复操作。
故障检测与容错
- 故障检测：心跳机制帮助 Redis 及时发现故障，尤其是在 Redis Sentinel 集群模式中，心跳机制非常重要。Redis Sentinel 通过心跳检测主节点的健康状况，并在主节点宕机时自动触发故障转移。
- 容错：当从节点检测到主节点的心跳丢失时，从节点会发起连接重试。如果主节点出现问题且无法恢复，Redis Sentinel 会通过投票机制选举新的主节点，确保系统的高可用性。
高效性：
- Redis 通过非常轻量级的 PING 和 PONG 命令来实现心跳机制，这些命令的响应时间极短，不会引起明显的性能开销。
- PING 命令只是单纯地向对方发送一个空的请求，目的是检查连接是否正常，且它不会有额外的负载。

相关配置：

repl-ping-slave-period：控制从节点向主节点发送 PING 命令的时间间隔（单位：秒）。默认值为 10 秒。可以根据实际需求调整这个间隔，以确保主从节点的连接稳定。
repl-timeout：设置主从复制中等待从节点响应的超时时间。如果在这个时间内从节点未响应，则认为连接出现故障。
timeout：配置 Redis 客户端连接的超时时间，防止连接因长时间未活动而被断开。

总结：
Redis 的心跳机制通过定期的 PING 命令来保持主从节点之间的连接活跃，确保在主从数据同步过程中，连接不会因网络问题或长时间无数据传输而中断。这个机制不仅有助于维持连接的稳定性，还有助于故障检测和自动恢复，从而保障 Redis 的高可用性。

主从复制常见问题及优化

1. 复制延迟

问题：主节点和从节点之间的同步存在延迟，尤其是在高负载的情况下，主节点的数据变更可能无法及时同步到从节点，导致从节点数据滞后。
优化：
- 调整复制缓冲区大小：增加复制积压缓冲区大小（repl-backlog-size），以存储更多的命令，从而避免从节点由于网络问题丢失数据。
- 监控 replica-lag：定期监控 replica-lag 指标，评估从节点与主节点的同步差距。如果延迟过高，考虑加大带宽或优化主节点的写入操作。
- 使用异步复制：尽可能将从节点的读操作放在主节点的负载较低时进行，减轻主节点压力。

2. 全量复制性能问题

问题：当从节点断线重新连接时，必须执行全量复制，这会导致主节点的压力骤增，并且从节点需要较长时间恢复数据，影响整个系统的性能。
优化：
- 启用复制积压缓冲区：在主节点和从节点的网络连接中，启用复制积压缓冲区。这样，从节点可以在短时间内恢复连接时，通过复制缓冲区获取丢失的数据，而不需要全量复制。
- 增加从节点的复制并发度：可以增加从节点的数量，分摊负载，避免单个从节点恢复时的瓶颈。
- 合理配置 RDB 和 AOF：优化 RDB 文件和 AOF 文件的持久化配置，避免全量复制时的性能瓶颈。

3.网络带宽和连接稳定性问题

问题：在高并发和大量数据写入的情况下，网络带宽可能成为瓶颈，导致复制数据同步速度过慢，甚至导致连接丢失。
优化：
- 网络优化：优化网络连接，使用更高带宽的网络，确保主从节点之间的连接稳定。
- 提高硬件性能：如果可能，升级主节点和从节点的硬件配置，减少磁盘 IO 和 CPU 使用，提升数据处理能力。
- 压缩数据传输：使用数据压缩技术，在主从节点之间传输数据时减少网络带宽占用。

4. 主从节点的数据一致性问题

问题：在某些极端情况下（如断电、网络分区等），主从节点可能会出现数据不一致的情况，导致恢复时的错误。
优化：
- 启用持久化机制：确保 Redis 配置了 RDB 和 AOF 持久化，避免数据丢失。
- 使用 Redis Sentinel：启用 Redis Sentinel 对主节点进行监控，自动检测主节点故障并进行故障转移，保持系统的数据一致性。
- 配置复制积压缓冲区：通过合理设置复制积压缓冲区（repl-backlog-size），可以避免在短时间内数据丢失。通过增加缓冲区的大小，可以容忍更多的数据丢失窗口。

5. 从节点负载过高

问题：如果从节点的读请求过多，可能会导致从节点的负载过高，影响同步性能，甚至导致从节点无法及时跟上主节点的数据变更。
优化：
- 负载均衡：将读请求均匀分配到多个从节点，避免单个从节点压力过大。
- 读写分离：将读操作分配到从节点，写操作只由主节点处理，减轻主节点负担。
- 优化查询性能：通过使用更高效的数据结构和命令，优化从节点的查询性能，减少请求处理时间。

6. 故障恢复和故障转移问题

问题：主节点发生故障时，Redis 需要能够自动将从节点提升为主节点，而这一过程可能会带来一定的恢复时间，导致系统不可用。
优化：
- 配置 Redis Sentinel：通过 Redis Sentinel 监控主节点的健康状况，在主节点发生故障时，自动将一个从节点提升为新的主节点，减少故障恢复时间。
- 启用自动故障转移：在 Redis 集群中，启用自动故障转移机制，以便在某个节点发生故障时，能够迅速恢复服务，保证高可用性。