Redis持久化

Redis持久化

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的数据丢失问题。

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。

触发机制

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
  比较大的实例会造成长时间阻塞，线上环境不建议使用。运行save命令对应
  的Redis日志如下：

  * DB saved on disk
  

• 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。运行
  bgsave命令对应的Redis日志如下：

  * Background saving started by pid 3151
  * DB saved on disk
  * RDB: 0 MB of memory used by copy-on-write
  * Background saving terminated with success
  

  显然bgsave命令是针对save阻塞问题做的优化。因此Redis内部所有的涉及RDB的操作都采用bgsave的方式，而save命令已经废弃。除了执行命令手动触发之外，Redis内部还存在自动触发RDB的持久化机制，例如以下场景：
  1）使用save相关配置，如“save m n”。表示m秒内数据集存在n次修改时，自动触发bgsave。
  2）如果从节点执行全量复制操作，主节点自动执行bgsave生成RDB文件并发送给从节点。
  3）执行debug reload命令重新加载Redis时，也会自动触发save操作。
  4）默认情况下执行shutdown命令时，如果没有开启AOF持久化功能则自动执行bgsave。

流程说明

bgsave是主流的触发RDB持久化方式

1）执行bgsave命令，Redis父进程判断当前是否存在正在执行的子进程，如RDB/AOF子进程，如果存在bgsave命令直接返回。
2）父进程执行fork操作创建子进程，fork操作过程中父进程会阻塞，通过info stats命令查看latest_fork_usec选项，可以获取最近一个fork操作的耗时，单位为微秒。

3）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。
4）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。
5）进程发送信号给父进程表示完成，父进程更新统计信息，具体见info Persistence下的rdb_*相关选项。

RDB文件的处理

• 保存：RDB文件保存在dir配置指定的目录下，文件名通过dbfilename配置指定。可以通过执行config set dir{newDir}和config set dbfilename{newFileName}运行期动态执行，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。
• 校验：如果Redis加载损坏的RDB文件时拒绝启动，并打印如下日志：

  # Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now.
  

  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。

RDB的优缺点

RDB的优点：

• 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文件拷贝到远程机器或者文件系统中（如hdfs），用于灾难恢复。
• Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。

RDB的缺点：

• 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操作创建子进程，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格式的RDB版本，存在老版本Redis服务无法兼容新版RDB格式的问题。针对RDB不适合实时持久化的问题，Redis提供了AOF持久化方式来解决。

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。

使用AOF

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配置设置，默认文件名是appendonly.aof。保存路径同RDB持久化方式一致，通过dir配置指定。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）。

流程如下：
1）所有的写入命令会追加到aof_buf（缓冲区）中。
2）AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。
3）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。
4）当Redis服务器重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复。

命令写入

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：

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

关于AOF的两个疑惑：
1）AOF为什么直接采用文本协议格式？可能的理由如下：

• 文本协议具有很好的兼容性。
• 开启AOF后，所有写入命令都包含追加操作，直接采用协议格式，避免了二次处理开销。
• 文本协议具有可读性，方便直接修改和处理。

2）AOF为什么把命令追加到aof_buf中？Redis使用单线程响应命令，如果每次写AOF文件命令都直接追加到硬盘，那么性能完全取决于当前硬盘负载。先写入缓冲区aof_buf中，还有另一个好处，Redis可以提供多种缓冲区同步硬盘的策略，在性能和安全性方面做出平衡。

文件同步

Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制

系统调用write和fsync说明：

• 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高硬盘IO性能。write操作在写入系统缓冲区后直接返回。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（比如AOF文件），做强制硬盘同步，fsync将阻塞直到写入硬盘完成后返回，保证了数据持久化。
• 配置为always时，每次写入都要同步AOF文件，在一般的SATA硬盘上，Redis只能支持大约几百TPS写入，显然跟Redis高性能特性背道而驰，不建议配置。
• 配置为no，由于操作系统每次同步AOF文件的周期不可控，而且会加大每次同步硬盘的数据量，虽然提升了性能，但数据安全性无法保证。
• 配置为everysec，是建议的同步策略，也是默认配置，做到兼顾性能和数据安全性。理论上只有在系统突然宕机的情况下丢失1秒的数据。

重写机制

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AOF文件的过程。
重写后的AOF文件为什么可以变小？有如下原因：
1）进程内已经超时的数据不再写入文件。
2）旧的AOF文件含有无效命令，如del key1、hdel key2、srem keys、set a111、set a222等。重写使用进程内数据直接生成，这样新的AOF文件只保留最终数据的写入命令。
3）多条写命令可以合并为一个，如：lpush list a、lpush list b、lpush list c可以转化为：lpush list a b c。为了防止单条命令过大造成客户端缓冲区溢出，对于list、set、hash、zset等类型操作，以64个元素为界拆分为多条。
AOF重写降低了文件占用空间，除此之外，另一个目的是：更小的AOF文件可以更快地被Redis加载。AOF重写过程可以手动触发和自动触发：

• 手动触发：直接调用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：表示运行AOF重写时文件最小体积，默认
    为64MB。
  • auto-aof-rewrite-percentage：代表当前AOF文件空间（aof_current_size）和上一次重写后AOF文件空间（aof_base_size）的比值。
    自动触发时机=aof_current_size>auto-aof-rewrite-min-size&&（aof_current_size-aof_base_size）/aof_base_size>=auto-aof-rewrite-percentage。
    其中aof_current_size和aof_base_size可以在info Persistence统计信息中查看。
    当触发AOF重写时，内部做
    
    流程说明：
    1）执行AOF重写请求。
    如果当前进程正在执行AOF重写，请求不执行并返回如下响应：

    ERR Background append only file rewriting already in progress
    

    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，返回如下响应：

    Background append only file rewriting scheduled
    

  2）父进程执行fork创建子进程，开销等同于bgsave过程。
  3.1）主进程fork操作完成后，继续响应其他命令。所有修改命令依然写
  入AOF缓冲区并根据appendfsync策略同步到硬盘，保证原有AOF机制正确
  性。
  3.2）由于fork操作运用写时复制技术，子进程只能共享fork操作时的内存数据。由于父进程依然响应命令，Redis使用“AOF重写缓冲区”保存这部分新数据，防止新AOF文件生成期间丢失这部分数据。
  4）子进程根据内存快照，按照命令合并规则写入到新的AOF文件。每次批量写入硬盘数据量由配置aof-rewrite-incremental-fsync控制，默认为32MB，防止单次刷盘数据过多造成硬盘阻塞。
  5.1）新AOF文件写入完成后，子进程发送信号给父进程，父进程更新统计信息，具体见info persistence下的aof_*相关统计。
  5.2）父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件。
  5.3）使用新AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

重启加载

AOF和RDB文件都可以用于服务器重启时的数据恢复。

流程说明：
1）AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件，打印如下日志：

* DB loaded from append only file: 5.841 seconds

2）AOF关闭或者AOF文件不存在时，加载RDB文件，打印如下日志：

* DB loaded from disk: 5.586 seconds

3）加载AOF/RDB文件成功后，Redis启动成功。
4）AOF/RDB文件存在错误时，Redis启动失败并打印错误信息。

文件校验

加载损坏的AOF文件时会拒绝启动，并打印如下日志：

# Bad file format reading the append only file: make a backup of your AOF file,
then use ./redis-check-aof --fix 

对于错误格式的AOF文件，先进行备份，然后采用redis-check-aof–fix命
令进行修复，修复后使用diff-u对比数据的差异，找出丢失的数据，有些可
以人工修改补全。
AOF文件可能存在结尾不完整的情况，比如机器突然掉电导致AOF尾部
文件命令写入不全。Redis为我们提供了aof-load-truncated配置来兼容这种情
况，默认开启。加载AOF时，当遇到此问题时会忽略并继续启动，同时打印
如下警告日志：

# !!! Warning: short read while loading the AOF file !!!
# !!! Truncating the AOF at offset 397856725 !!!
# AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled