Redis的持久化 - 技术栈

[1. 文章前言](#1. 文章前言)
[2. RDB](#2. RDB)
- [2.1 触发机制](#2.1 触发机制)
- [2.2 流程说明](#2.2 流程说明)
- [2.3 RDB文件的处理](#2.3 RDB文件的处理)
- [2.4 RDB的优缺点](#2.4 RDB的优缺点)
[3. AOF](#3. AOF)
- [3.1 使用AOF](#3.1 使用AOF)
- [3.2 命令写入](#3.2 命令写入)
- [3.3 文件同步](#3.3 文件同步)
- [3.4 重写机制](#3.4 重写机制)
- [3.5 启动时数据恢复](#3.5 启动时数据恢复)
[4. 持久化总结](#4. 持久化总结)

1. 文章前言

（1）Redis支持RDB和AOF两种持久化机制，持久化功能有效地避免因进程退出造成数据丢失问题,当下次重启时利用之前持久化的文件即可实现数据恢复。本章内容：

介绍RDB、AOF的配置和运行流程，以及控制持久化的命令，如bgsave和bgrewriteaof。
对常见持久化问题进行分析定位和优化。

2. RDB

RDB持久化是把当前进程数据生成快照保存到硬盘的过程，触发RDB持久化过程分为手动触发和自动触发。

2.1 触发机制

（1）手动触发分别对应save和bgsave命令：

save命令：阻塞当前Redis服务器，直到RDB过程完成为止，对于内存比较大的实例造成长时间阻塞，基本不采用。
bgsave命令 ：Redis 进程执行fork操作创建子进程, RDB持久化过程由子进程负责，完成后自动
结束。阻塞只发生在fork阶段，一般时间很短。
Redis内部的所有涉及RDB的操作都采用类似bgsave的方式。

（2）除了手动触发之外，Redis 运行自动触发RDB持久化机制，这个触发机制才是在实战中有价值的。

使用save配置。如"savemn"表示m秒内数据集发生了n次修改，自动RDB持久化。
从节点进行全量复制操作时，主节点自动进行RDB持久化，随后将RDB文件内容发送给从结点。
执行shutdown命令关闭Redis时，执行RDB持久化。

2.2 流程说明

（1）bgsave是主流的RDB持久化方式，下面根据图了解它的运作流程。bgsave命令的运作流程：

执行bgsave命令，Redis 父进程判断当前进是否存在其他正在执行的子进程，如RDB/AOF子进程，如果存在bgsave命令直接返回。
父进程执行fork创建子进程，fork 过程中父进程会阻塞，通过info stats命令查看latest_fork_usec 选项，可以获取最近一次 fork操作的耗时，单位为微秒。
父进程fork完成后，bgsave 命令返回" Background saving started"信息并不再阻塞父进程，可以继续响应其他命令。
子进程创建RDB文件，根据父进程内存生成临时快照文件，完成后对原有文件进行原子替换。执行lastsave命令可以获取最后一次生成 RDB的时间，对应info统计的rdb_last_save_time 选项。
进程发送信号给父进程表示完成，父进程更新统计信息。

2.3 RDB文件的处理

（1）以下是RDB文件的处理过程：

保存：RDB 文件保存再dir配置指定的目录(默认/var/lib/redis/)下，文件名通过dbfilename配置(默认dump.rdb)指定。可以通过执行config set dir {newDir}和config set dbfilename{newFilename}运行期间动态执行，当下次运行时RDB文件会保存到新目录。
压缩：Redis 默认采用LZF算法对生成的RDB文件做压缩处理，压缩后的文件远远小于内存大小，默认开启，可以通过参数config set rdbcompression {yes|no}动态修改。虽然压缩RDB会消耗CPU，但可以大幅降低文件的体积，方便保存到硬盘或通过网络发送到从节点，因此建议开启。
校验：如果Redis启动时加载到损坏的RDB文件会拒绝启动。这时可以使用Redis提供的redis-check-dump工具检测RDB文件并获取对应的错误报告。

2.4 RDB的优缺点

RDB 是一个紧凑压缩的二进制文件，代表Redis在某个时间点上的数据快照。非常适用于备份，全量复制等场景。比如每6小时执行bgsave备份，并把RDB文件复制到远程机器或者文件系统中(如hdfs)用于灾备。
Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。
RDB 方式数据没办法做到实时持久化 /秒级持久化。因为bgsave 每次运行都要执行fork创建子进程，属于重量级操作，频繁执行成本过高。
RDB 文件使用特定二进制格式保存， Redis版本演进过程中有多个RDB版本，兼容性可能有风险

3. AOF

AOF (Append Only File)持久化 ：以独立日志的方式记录每次写命令，重启时再重新执行AOF文件中的命令达到恢复数据的目的。AOF的主要作用是解决了数据持久化的实时性，目前已经是Redis持久化的主流方式。理解掌握好AOF持久化机制对我们兼顾数据安全性和性能非常有帮助。

3.1 使用AOF

（1）开启AOF功能需要设置配置：appendonly yes默认不开启。AOF文件名通过appendfilename配置(默认是appendonly.aof)设置。保存目录同RDB持久化方式一致通过dir配置指定。

（2）AOF的工作流程操作 ：命令写入(append) 、文件同步(sync) 、文件重写(rewrite)、重启加载(load) ，如下图所示。

所有的写入命令会追加到aof_buf (缓冲区)中。
AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。
随着AOF文件越来越大，需要定期对AOF文件进行重写，达到压缩的目的。
当Redis服务器启动时，可以加载AOF文件进行数据恢复。

3.2 命令写入

（1）AOF命令写入的内容直接是文本协议格式。例如set hello world这条命令，在AOF缓冲区会追加如下文本：

bash 复制代码

*3\r\n$3\r\nset\r\n$5\r\nhello\r\n$5\r\nworld\r\n

此处遵守Redis格式协议，Redis 选择文本协议可能的原因：文本协议具备较好的兼容性；实现简单；具备可读性。
AOF过程中为什么需要aof_buf 这个缓冲区? Redis 使用单线程响应命令，如果每次写AOF文件都直接同步硬盘，性能从内存的读写变成IO读写，必然会下降。先写入缓冲区可以有效减少IO次数，同时，Redis 还可以提供多种缓冲区同步策略,让用户根据自己的需求做出合理的平衡。

3.3 文件同步

（1）Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制，不同值的含义如下表所示。AOF缓冲区同步文件策略：

（2）系统调用write和fsync解析：

write操作会触发延迟写(delayed write)机制。Linux 在内核提供页缓冲区用来提供硬盘IO性能。write 操作在写入系统缓冲区后立即返回。同步硬盘操作依赖于系统调度机制，例如:缓冲区页空间写满或达到特定时间周期。同步文件之前，如果此时系统故障宕机，缓冲区内数据将丢失。
Fsync针对单个文件操作，做强制硬盘同步，fsync将阻塞直到数据写入到硬盘。
配置为always时，每次写入都要同步AOF文件，性能很差，在一般的SATA硬盘上，只能支持大约几百TPS写入。除非是非常重要的数据，否则不建议配置。
配置为no时，由于操作系统同步策略不可控，虽然提高了性能，但数据丢失风险大增，除非数据重要程度很低，一般不建议配置。
配置为everysec, 是默认配置，也是推荐配置，兼顾了数据安全性和性能。理论上最多丢失1秒的数据。

3.4 重写机制

（1）随着命令不断写入AOF，文件会越来越大，为了解决这个问题，Redis 引入AOF重写机制压缩文件体积。AOF文件重写是把Redis进程内的数据转化为写命令同步到新的AOF文件。重写后的AOF为什么可以变小?有如下原因：

进程内已超时的数据不再写入文件。
旧的AOF中的无效命令，例如del、hdel、srem等重写后将会删除，只需要保留数据的最终版本。
多条写操作合并为一条，例如lpush list a、lpush list b、lpush list c 可以合并为lpush list a b c。
较小的AOF文件一方面降低了硬盘空间占用，一方面可以提升启动Redis时数据恢复的速度。

（2）AOF重写过程可以分为手动触发和自动触发：

手动触发：调用bgrewriteaof命令。
自动触发：根据auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite- percentage参数确定自动触发时机。
auto- aof-rewrite-min-size：表示触发重写时AOF的最小文件大小，默认为64MB。
auto-aof-rewrite-percentage：代表当前AOF占用大小相比较上次重写时增加的比例。

（3）当触发AOF重写时，下图介绍它的运行流程。AOF重写流程：

执行AOF重写请求。如果当前进程正在执行AOF重写，请求不执行。如果当前进程正在执行bgsave操作，重写命令延迟到bgsave完成之后再执行。
父进程执行fork创建子进程。
重写：
- 主进程fork之后，继续响应其他命令。所有修改操作写入AOF缓冲区并根据appendfsync策略同步到硬盘，保证旧AOF文件机制正确。
- 子进程只有fork之前的所有内存信息，父进程中需要将fork之后这段时间的修改操作写入AOF重写缓冲区中。
子进程根据内存快照，将命令合并到新的AOF文件中。
子进程完成重写：
- 新文件写入后，子进程发送信号给父进程。
- 父进程把AOF重写缓冲区内临时保存的命令追加到新AOF文件中。
- 用新AOF文件替换老AOF文件。

3.5 启动时数据恢复

（1）当Redis启动时，会根据RDB和AOF文件的内容，进行数据恢复，如下图所示。Redis根据持久化文件进行数据恢复：

4. 持久化总结

Redis 提供了两种持久化方案：RDB 和 AOF。
RDB 视为内存的快照，产生的内容更为紧凑，占用空间较小，恢复时速度更快。但产生 RDB 的开销较大，不适合进行实时持久化，⼀般用于冷备和主从复制。
AOF 视为对修改命令保存，在恢复时需要重放命令。并且有重写机制来定期压缩 AOF 文件。
RDB 和 AOF 都使用 fork 创建子进程，利用 Linux 子进程拥有父进程内存快照的特点进行持久化，尽可能不影响主进程继续处理后续命令。