【Redis专题】Redis持久化、主从与哨兵架构详解

前言

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一、Redis持久化

【持久化】这个单词我想大家都不陌生吧。什么是持久化？我们知道，Redis的数据是存储在内存里面的，所以在Redis这里，其实是指把内存中的数据，通过一些策略写到磁盘中，方便因为宕机、或者重启Redis服务的时候，再次把数据加载到内存中。
那么，Redis中持久化策略（方式）有哪些呢？其实主要的方式有如下三种，让我们来看看吧

1.1 RDB快照（Snapshot）：二进制文件

基本介绍

在默认情况下， Redis 将内存数据库快照保存在名字为 dump.rdb 的二进制文件中。（PS：该持久化策略，是默认的策略，当然不排除在随后的版本中改了）

开启/关闭方式

开启/关闭方式：进入程序的目录，修改redis.conf配置文件。开启/关闭RDB只需要将所有的save保存策略打开/注释掉即可

触发方式

RDB快照生成的触发方式有两种。一种是通过设置策略，当满足条件的时候自动触发；另一种，当然是手动触发了。

我们先来说一下【自动触发】的方式。自动触发的方式，就是按照Redis提供给我们的语法，在redis.conf里面增加触发策略。设置规则如下：

语法：save [ ...]
解释：在【N 秒内数据集至少有 M 个改动】这一条件被满足时，自动持久化一次

举个例子，设置一条策略【在60秒内有1000个改动时，自动持久化一次】。设置如下

save 60 1000 // 关闭RDB只需要将所有的save保存策略注释掉即可

至于手动触发方式，则是进入redis客户端执行命令save或bgsave，就可以生成dump.rdb文件，每次命令执行都会将所有redis内存快照到一个新的.rdb文件里，并覆盖原有.rdb快照文件。
save是同步执行生成rdb文件的操作，执行时不会处理外部的命令；bgsave则是异步执行生成操作，会同时处理外部命令。

bgsave的写时复制（COW，Copy On Write）机制

Redis借助操作系统的写时复制技术（Copy On Write），在生成快照的同时，依然可以正常处理写命令。简单来说，bgsave子进程是由主线程fork出来的，所以可以共享主线程内存的所有数据。bgsave子进程运行后，开始读取主线程的内存数据，并把他们他们写入.rdb文件。此时，如果主线程对这些数据也都是读操作，那主线程跟子进程之间肯定没有影响；若此时主线程需要修改一块数据，那么，这块数据会被复制一份，生成该数据的副本。然后bgsave子进程会把这个副本数据写入.rdb文件中，而在这个过程中，主线程仍然可以直接修改原来的数据。
save与bgsave对比：

命令	save	bgsave
IO类型	同步	异步
是否阻塞redis其他命令	是	否。不过在生成子进程执行调用函数时会有短暂阻塞
复杂度	O(n)	O(n)
优点	不会消耗额外内存	不会阻塞客户端命令
缺点	阻塞客户端命令	需要fork一个子进程，消耗额外内存

上面配置的【自动触发】生成.rdb文件的策略，后台使用的就是bgsave方式

优缺点

优点是：由于是二进制文件，所以Redis重启的时候，恢复速度快
缺点是：容易丢失数据，为什么？看下面【AOF】策略的介绍

1.2 AOF（append-only file）：将读写命令记录下来，方便回放

基本介绍

看了上面的【RDB策略】不知道大家有没有感觉，或者意识到什么。那就是，这种策略其实看起来有点“苛刻”，它的数据安全性并不靠谱！
比如【在60秒内有1000个改动时，自动持久化一次】的策略之下，万一我在做第1000个改动的时候服务器宕机了，那不是丢掉了前面999个操作了吗？
所以，快照功能并不是非常耐久（durable）的。 如果 Redis 因为某些原因而造成故障停机，那么服务器将丢失最近写入、且仍未保存到快照中的那些数据。不过从1.1版本开始，Redis增加了一种完全耐久的持久化方式： AOF持久化，将修改的每一条指令记录进文件appendonly.aof文件中（先写入os cache，每隔一段时间fsync到磁盘）。
比如执行命令set zhuge 666，.aof文件里会记录如下数据：（这是一种resp协议格式数据，我在下面写上注释给大家翻译一下什么意思）

*3	# 星号后面的数字表示，执行的命令有多少个参数
$3	# 美元符号后面的数字代表这个参数有几个字符
set
$5	# 美元符号后面的数字代表这个参数有几个字符
zhuge
$3	# 美元符号后面的数字代表这个参数有几个字符
666

注意，如果执行带过期时间的set命令，aof文件里记录的是并不是执行的原始命令，而是记录key过期的时间戳。比如执行set tuling 888 ex 1000，对应aof文件里记录如下：

*3
$3
set
$6
tuling
$3
888
*3
$9
PEXPIREAT
$6
tuling
$13
1604249786301

开启/关闭方式

开启/关闭方式：进入程序的目录，修改redis.conf配置文件。开启/关闭aof只需要修改如下参数：
# appendonly yes // 有一些版本默认注释掉。打开注释，设置yes或者no即可 打开/关闭

开启之后，从现在开始， 每当 Redis 执行一个改变数据集的命令时（比如 SET）， 这个命令就会被追加到.aof文件的末尾。
这样的话， 当 Redis 重新启动时， 程序就可以通过重新执行.aof文件中的命令来达到重建数据集的目的。

触发方式

同样的，我们可以配置Redis多久才将数据同步到磁盘一次。.aof的触发方式同样也有两种：自动和手动。
【自动触发】的方式，如下：（Redis提供给我们的，需要自己手动打开、关闭）

appendfsync always：每次有新命令追加到 AOF 文件时就执行一次 fsync ，非常慢，也非常安全。
appendfsync everysec：每秒 fsync 一次，足够快，并且在故障时只会丢失 1 秒钟的数据。
appendfsync no：从不 fsync ，将数据交给操作系统来处理。更快，也更不安全的选择。

推荐（并且也是默认）的措施为每秒 fsync 一次， 这种 fsync 策略可以兼顾速度和安全性（最多丢失最近1秒的缓存数据）。

AOF重写

.aof文件里可能有太多没用指令，所以【AOF策略】会定期根据内存的最新数据生成aof文件。例如，执行了如下几条命令：

127.0.0.1:6379> incr readcount
(integer) 1
127.0.0.1:6379> incr readcount
(integer) 2
127.0.0.1:6379> incr readcount
(integer) 3
127.0.0.1:6379> incr readcount
(integer) 4
127.0.0.1:6379> incr readcount
(integer) 5

重写后AOF文件里变成：

*3
$3
SET
$2
readcount
$1
5

如下两个配置可以控制AOF自动重写频率：

// aof文件至少要达到64M才会自动重写，文件太小恢复速度本来就很快，重写的意义不大
# auto-aof-rewrite-min-size 64mb 

// aof文件自上一次重写后文件大小增长了100%则再次触发重写  
# auto-aof-rewrite-percentage 100

优缺点

优点是：数据安全性相对【RDB】方式来说高点
缺点是：恢复速度慢，因为不是二进制，且需要通过【重放】的方式恢复

1.3 RDB和AOF对比，怎么选

命令	RDB	AOF
启动优先级	低	高
文件大小	小	大
恢复速度	快	慢
数据安全性	容易丢失数据	根据策略决定，但整体比较高

上面提到的启动优先级什么意思呢？意思是，当Redis启动时，会优先读取.aof的文件，其次才是.rdb。为什么呢？因为.aof文件的数据安全性相对可靠一点啊！
那我该选择哪一种持久化策略呢？其实在生产环境中，可以都启用。反正Redis启动时如果既有.rdb文件又有.aof文件的时候，会根据优先级选取。

1.4 Redis4.0 混合持久化：AOF + RDB

基本介绍

不出意外，当出现比较特点比较极端的两个方案时，总会有一个折中的方案出现。这就是Redis在4.0之后的版本推出的【混合持久化，AOF + RDB】方式。
重启Redis时，我们很少使用.rdb来恢复内存状态，因为会丢失大量数据。我们通常使用.aof日志重放，但是重放.aof日志性能相对.rdb来说要慢很多，这样在Redis实例很大的情况下，启动需要花费很长的时间。Redis 4.0 为了解决这个问题，带来了一个新的持久化选项——混合持久化

开启/关闭方式

PS：混合方式的开启，必须要先开启AOF
开启/关闭方式：进入程序的目录，修改redis.conf配置文件。开启/关闭需要修改如下参数：
# appendonly yes
# aof-use-rdb-preamble yes // 需要同时上面的参数也为yes才可开启

混合持久化aof文件内容

如果开启了混合持久化，AOF在重写时，不再是单纯将内存数据转换为RESP命令写入AOF文件，而是将重写这一刻之前的内存做RDB快照处理，并且将RDB快照内容和增量的AOF修改内存数据的命令存在一起，都写入新的.aof文件，新的文件一开始不叫appendonly.aof，等到重写完新的.aof文件才会进行改名，覆盖原有的.aof文件，完成新旧两个.aof文件的替换。
于是在 Redis 重启的时候，可以先加载.aof文件中的RDB内容，然后再重放增量AOF日志就可以完全替代之前的.aof全量文件重放，因此重启效率大幅得到提升。
混合持久化AOF文件结构如下：

1.5 Redis数据生产备份策略

1. 写crontab定时调度脚本，每小时都copy一份rdb或aof的备份到一个目录中去，仅仅保留最近48小时的备份
2. 每天都保留一份当日的数据备份到一个目录中去，可以保留最近1个月的备份
3. 每次copy备份的时候，都把太旧的备份给删了
4. 每天晚上将当前机器上的备份复制一份到其他机器上，以防机器损坏

二、Redis主从架构

Redis主从架构模型如下：

由上图可以看出，在主从结构中，通常从节点只做【读】业务，【写】业务通常还是由主节点master完成。并且，它目前并没有我们小白以为的【宕机自动切换新的主节点】的能力。（PS：我以前一直听说什么Redis集群高可用，节点宕机依然不影响业务，所以我乍一看【主从架构】就以为它已经有这个能力了。而事实上并没有，它只是【缓解了节点压力】，并不具备自动切换）

2.1 主从架构搭建

好记性不如多操作几遍
redis主从架构搭建，配置从节点步骤如下：

1. 复制一份redis.conf文件，例如，我在我的redis下就复制了两份，并且分别命名为redis-6380.conf和redis-6381.conf，因为我计划搭建【一主二从】的结构
   
2. 将相关配置修改为如下值：（以redis-6380.conf为例）

# 修改从节点的运行端口
port 6380

# 把pid进程号写入pidfile配置的文件
pidfile /var/run/redis_6380.pid

# 日志文件命名
logfile "6380.log"

# 指定数据存放目录，需要提前在redis-6380.conf的当前目录下，新建好data目录及其下面的slave-80目录
dir ./data/slave-80  

# 需要注释掉bind
# bind绑定的是自己机器网卡的ip，如果有多块网卡可以配多个ip，
# 代表允许客户端通过机器的哪些网卡ip去访问，
# 内网一般可以不配置bind，注释掉即可
# bind 127.0.0.1

3. 继续修改配置，这个是配置【主从复制】的核心：（以redis-6380.conf为例）

# 从本机6379的redis实例复制数据，Redis 5.0之前使用slaveof
# 格式：replicaof [master节点的up地址] [master节点的端口6379]
# 比如我的是下面这个
replicaof 127.0.0.1 6379

# 配置从节点只读，默认打开了
replica-read-only yes 

4. 然后就可以启动从节点了

# redis-6380.conf文件务必用你复制并修改了之后的redis.conf文件
redis-server redis-6380.conf   

5. 使用redis-cli -p 端口的方式，连接到对应的从库，校验一下
6. 测试在6379端口的master实例上写数据，看看6380和6381端口的slave实例是否能及时同步新修改数据。我的测试数据如下：
   
   如上所示，我在6379主节点设置了一个name，值为helloRedis，接下来我们去从节点看看：
   
   
   看，6380端口跟6381端口的从节点都同步了数据

2.2 Redis主从工作原理

Redis主从工作原理其实并不是那么神奇，主要是保证数据一致性就好了。那该怎么保证呢？首先肯定是要分场景的。比如：第一次过来同步复制（全量同步）；之前已经同步过一次了，但后来因为某些原因断了，现在重新连接上，需要继续同步最近的数据（增量同步，断点续传）。
下面再给大家看看【全量同步】跟【增量同步】的业务流程图

全量同步业务流程图

1. 如果你为master配置了一个slave，不管这个slave是否是第一次连接上Master，它都会发送一个PSYNC命令给master请求复制数据
2. master收到PSYNC命令后，会在后台进行数据持久化（通过bgsave生成最新的.rdb快照文件），持久化期间，master会继续接收客户端的请求，它会把这些可能修改数据集的请求缓存在内存中
3. 当持久化进行完毕以后，master会把这份.rdb文件数据集发送给slave，slave会把接收到的数据进行持久化生成.rdb，然后再加载到内存中
4. 然后，master再将之前缓存在内存中的命令发送给slave
5. 当master与slave之间的连接由于某些原因而断开时，slave能够自动重连master，如果master收到了多个slave并发连接请求，它只会进行一次持久化，而不是一个连接一次，然后再把这一份持久化的数据发送给多个并发连接的slave

小总结：
上面在生成持久化文件的时候有两个要点不知道大家注意到没有？那就是：bgsave跟.rdb。
前面的bgsave比较好理解，异步生成.rdb文件嘛，为了不阻塞主节点的客户读写。那为什么是.rdb而不是.aof呢？其实说来也不算难理解，只不过我估计大家刚接触【redis持久化】所以比较陌生而已。因为.rdb恢复速度快啊！二进制文件嘛。

增量同步业务流程图

1. 当master和slave断开重连后，一般都会对整份数据进行复制。但从redis2.8版本开始，redis改用可以支持部分数据复制的命令PSYNC去master同步数据，slave与master能够在网络连接断开重连后只进行部分数据复制（断点续传）
2. master会在其内存中创建一个复制数据用的缓存队列，缓存最近一段时间的数据，master和它所有的slave都维护了复制的数据下标offset和master的进程id
3. 因此，当网络连接断开后，slave会请求master继续进行未完成的复制，从所记录的数据下标开始。如果master进程id变化了，或者从节点数据下标offset太旧，已经不在master的缓存队列里了，那么将会进行一次全量数据的复制

主从复制风暴

什么是主从复制风暴？简单来说，就是一个主节点，需要应付很多从节点的复制请求，就算是采用异步执行同步命令，但是当数据多了之后也会容易陷入瓶颈。这就是主从复制风暴。

为了缓解主从复制风暴（多个从节点同时复制主节点导致主节点压力过大），可以做如下架构，让部分从节点与从节点（与主节点同步）同步数据：

2.3 Redis哨兵高可用架构模型

学习总结