redis 高可用之持久化与优化

一、redis 高可用概述

在web服务器中，高可用是指服务器可以正常访问的时间，衡量的标准是在多长时间内可以提供正常服务（99.9%、99.99%、99.999%等等）。

但是在Redis语境中，高可用的含义似乎要宽泛一些，除了保证提供正常服务（如主从分离、快速容灾技术），还需要考虑数据容量的扩展、数据安全不会丢失等。

在Redis中，实现高可用的技术主要包括持久化、主从复制、哨兵和 Cluster集群，下面分别说明它们的作用，以及解决了什么样的问题。

●持久化：持久化是最简单的高可用方法(有时甚至不被归为高可用的手段)，主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。

●主从复制：主从复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在主从复制基础上实现高可用的。主从复制主要实现了数据的多机备份，以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。缺陷：故障恢复无法自动化；写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。

●哨兵：在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。缺陷：写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。

●Cluster集群：通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。

二、redis 持久化

持久化的功能：Redis是内存数据库，数据都是存储在内存中，为了避免服务器断电等原因导致Redis进程异常退出后数据的永久丢失，需要定期将Redis中的数据以某种形式（数据或命令）从内存保存到硬盘；当下次Redis重启时，利用持久化文件实现数据恢复。除此之外，为了进行灾难备份，可以将持久化文件拷贝到一个远程位置。

redis 提供两种方式进行持久化：

●RDB 持久化：原理是将 Reids在内存中的数据库记录定时保存到磁盘上。

●AOF 持久化（append only file）：原理是将 Reids 的操作日志以追加的方式写入文件，类似于MySQL的binlog。

由于AOF持久化的实时性更好，即当进程意外退出时丢失的数据更少，因此AOF是目前主流的持久化方式，不过RDB持久化仍然有其用武之地。

1、RDB 持久化

RDB持久化是指在指定的时间间隔内将内存中当前进程中的数据生成快照保存到硬盘(因此也称作快照持久化)，用二进制压缩存储，保存的文件后缀是rdb；当Redis重新启动时，可以读取快照文件恢复数据。

1.1RDB 持久化触发条件

RDB持久化的触发分为手动触发和自动触发两种

①手动触发

save命令和bgsave命令都可以生成RDB文件。

save命令会阻塞Redis服务器进程，直到RDB文件创建完毕为止，在Redis服务器阻塞期间，服务器不能处理任何命令请求。

而bgsave命令会创建一个子进程，由子进程来负责创建RDB文件，父进程(即Redis主进程)则继续处理请求。

bgsave命令执行过程中，只有fork子进程时会短暂阻塞服务器，而对于save命令，整个过程都会阻塞服务器，因此save已基本被废弃，线上环境要杜绝save的使用。

②自动触发

在自动触发RDB持久化时，Redis也会选择bgsave而不是save来进行持久化。

自动触发最常见的情况是在配置文件中在433行通过save m n，指定当m秒内发生n次变化时，会触发bgsave进行快照。

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf

--433行--RDB默认保存策略

# save 3600 1 300 100 60 10000

#表示以下三个save条件满足任意一个时，都会引起bgsave的调用

save 3600 1 ：当时间到3600秒时，如果redis数据发生了至少1次变化，则执行bgsave

save 300 10 ：当时间到300秒时，如果redis数据发生了至少10次变化，则执行bgsave

save 60 10000 ：当时间到60秒时，如果redis数据发生了至少10000次变化，则执行bgsave

--454行--是否开启RDB文件压缩

rdbcompression yes

--463行--是否开启RDB校验和进行校验，作用是再恢复时先校验RDB文件再进行恢复（防止损坏或改动）

rdbchecksum yes

--481行--指定RDB文件名

dbfilename dump.rdb

--504行--指定RDB文件和AOF文件所在目录

dir /usr/local/redis/data

自动触发的其他自动触发机制：

除了save m n 以外，还有一些其他情况会触发bgsave

●在主从复制场景下，如果从节点执行全量复制操作，则主节点会执行bgsave命令，并将rdb文件发送给从节点。

●执行shutdown命令关闭redis数据库时，自动执行rdb持久化。

1.2执行流程

（1）Redis父进程首先判断：当前是否正在执行save，或bgsave/bgrewriteaof文件重写的子进程，如果在执行则bgsave命令直接返回。

（2）父进程执行fork操作创建子进程，这个过程中父进程是阻塞的，Redis不能执行来自客户端的任何命令

（3）父进程fork后，bgsave命令返回”Background saving started”信息并不再阻塞父进程，并可以响应其他命令

（4）子进程创建RDB文件，根据父进程内存快照并压缩生成临时快照文件，完成后对原有文件进行原子替换

（5）子进程发送信号给父进程表示完成，父进程更新统计信息

13. 启动时加载

RDB文件的载入工作是在服务器启动时自动执行的，并没有专门的命令。但是由于AOF的优先级更高，因此当AOF开启时，Redis会优先载入 AOF文件来恢复数据；只有当AOF关闭时，才会在Redis服务器启动时检测RDB文件，并自动载入。服务器载入RDB文件期间处于阻塞状态，直到载入完成为止。

Redis载入RDB文件时，会对RDB文件进行校验，如果文件损坏，则日志中会打印错误，Redis启动失败。

2、AOF 持久化

RDB持久化是将进程数据写入文件，而AOF持久化，则是将Redis执行的每次写、删除命令记录到单独的日志文件中，查询操作不会记录； 当Redis重启时再次执行AOF文件中的命令来恢复数据。

与RDB相比，AOF的实时性更好，因此已成为主流的持久化方案。

2.1开启AOF

redis服务器默认开启RDB，关闭AOF；要开启AOF，需要在配置文件中配置

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf

--1380行--修改，开启AOF

appendonly yes

--1407行--指定AOF文件名称

appendfilename "appendonly.aof"

--1413行--指定AOF文件所保存的目录名称（在data目录中）

appenddirname "appendonlydir"

--1505行--是否忽略由于服务器宕机等原因导致的最后一条可能存在问题的指令（可能会导致redis启动失败）

aof-load-truncated yes

systemctl restart redis-server.service

2.2执行流程

由于需要记录Redis的每条写命令，因此AOF不需要触发，下面介绍AOF的执行流程

AOF的执行流程包括：

●命令追加(append)：将Redis的写命令追加到redis缓冲区aof_buf，避免每次有写命令都直接写入硬盘，导致硬盘IO成为Redis负载的瓶颈；它是一种纯文本格式，具有兼容性好、可读性强、容易处理、操作简单避免二次开销等优点

●文件写入(write)和文件同步(sync)：根据不同的同步策略将aof_buf缓冲区中的内容同步到硬盘；当缓冲区被填满或超过了指定时限后，才真正将缓冲区的数据写入到硬盘里。这样的操作虽然提高了效率，但也带来了安全问题。

●文件重写(rewrite)：过大的AOF文件会影响服务器的正常运行，也会导致数据恢复需要的时间过长。定期重写AOF文件，达到压缩的目的（压缩过期数据、重复数据、无效数据、多条数据）。

AOF缓存区的同步文件策略存在三种同步方式，它们分别是：

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf

--1439行--

●appendfsync always：命令写入aof_buf后立即调用系统fsync操作同步到AOF文件，fsync完成后线程返回。这种情况下，每次有写命令都要同步到AOF文件，硬盘IO成为性能瓶颈，Redis只能支持大约几百TPS写入，严重降低了Redis的性能；即便是使用固态硬盘（SSD），每秒大约也只能处理几万个命令，而且会大大降低SSD的寿命。

●appendfsync no：命令写入aof_buf缓冲区后调用系统write操作，不对AOF文件做fsync同步；同步由操作系统负责，通常同步周期为30秒。这种情况下，文件同步的时间不可控，且缓冲区中堆积的数据会很多，数据安全性无法保证。

●appendfsync everysec：命令写入aof_buf后调用系统write操作，write完成后线程返回；fsync同步文件操作由专门的线程每秒调用一次。everysec是前述两种策略的折中，是性能和数据安全性的平衡，因此是Redis的默认配置，也是我们推荐的配置。

文件重写的触发，分为手动触发和自动触发：

●手动触发：直接调用bgrewriteaof命令，该命令的执行与bgsave有些类似：都是fork子进程进行具体的工作，且都只有在fork时阻塞。

●自动触发：通过设置auto-aof-rewrite-min-size选项和auto-aof-rewrite-percentage选项来自动执行BGREWRITEAOF。 只有当auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage两个选项同时满足时，才会自动触发AOF重写，即bgrewriteaof操作。

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf

--1480--

●auto-aof-rewrite-percentage 100 ：当前AOF文件大小(即aof_current_size)是上次日志重写时AOF文件大小(aof_base_size)两倍时，发生BGREWRITEAOF操作

●auto-aof-rewrite-min-size 64mb ：当前AOF文件执行BGREWRITEAOF命令的最小值，避免刚开始启动Reids时由于文件尺寸较小导致频繁的BGREWRITEAOF

流程：

（1）Redis父进程首先判断当前是否存在正在执行bgsave/bgrewriteaof的子进程，如果存在则bgrewriteaof命令直接返回，如果存在 bgsave命令则等bgsave执行完成后再执行。

（2）父进程执行fork操作创建子进程，这个过程中父进程是阻塞的。

（3.1）父进程fork后，bgrewriteaof命令返回”Background append only file rewrite started”信息并不再阻塞父进程， 并可以响应其他命令。Redis的所有写命令依然写入AOF缓冲区，并根据appendfsync策略同步到硬盘，保证原有AOF机制的正确。

（3.2）由于fork操作使用写时复制技术，子进程只能共享fork操作时的内存数据。由于父进程依然在响应命令，因此Redis使用AOF重写缓冲区(aof_rewrite_buf)保存这部分数据，防止新AOF文件生成期间丢失这部分数据。也就是说，bgrewriteaof执行期间，Redis的写命令同时追加到aof_buf和aof_rewirte_buf两个缓冲区。

（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。

（5.1）子进程写完新的AOF文件后，向父进程发信号，父进程更新统计信息，具体可以通过info persistence查看。

（5.2）父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件，这样就保证了新AOF文件所保存的数据库状态和服务器当前状态一致。

（5.3）使用新的AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

2.3.启动时加载

当AOF开启时，Redis启动时会优先载入AOF文件来恢复数据；只有当AOF关闭时，才会载入RDB文件恢复数据。

当AOF开启，但AOF文件不存在时，即使RDB文件存在也不会加载。

Redis载入AOF文件时，会对AOF文件进行校验，如果文件损坏，则日志中会打印错误，Redis启动失败。但如果是AOF文件结尾不完整(机器突然宕机等容易导致文件尾部不完整)，且aof-load-truncated参数开启，则日志中会输出警告，Redis忽略掉AOF文件的尾部，启动成功。aof-load-truncated参数默认是开启的。

3、 RDB和AOF的优缺点

●RDB持久化

优点：RDB文件紧凑，体积小，网络传输快，适合全量复制；恢复速度比AOF快很多。当然，与AOF相比，RDB最重要的优点之一是对性能的影响相对较小。

缺点：RDB文件的致命缺点在于其数据快照的持久化方式决定了必然做不到实时持久化，而在数据越来越重要的今天，数据的大量丢失很多时候是无法接受的，因此AOF持久化成为主流。此外，RDB文件需要满足特定格式，兼容性差（如老版本的Redis不兼容新版本的RDB文件）。

对于RDB持久化，一方面是bgsave在进行fork操作时Redis主进程会阻塞，另一方面，子进程向硬盘写数据也会带来IO压力。

●AOF持久化

与RDB持久化相对应，AOF的优点在于支持秒级持久化、兼容性好，缺点是文件大、恢复速度慢、对性能影响大。

对于AOF持久化，向硬盘写数据的频率大大提高(everysec策略下为秒级)，IO压力更大，甚至可能造成AOF追加阻塞问题。

AOF文件的重写与RDB的bgsave类似，会有fork时的阻塞和子进程的IO压力问题。相对来说，由于AOF向硬盘中写数据的频率更高，因此对 Redis主进程性能的影响会更大

三、redis 性能管理

1、查看Redis内存使用

命令：info memory

内存碎片率mem_fragmentation_ratio = used_memory_rss / used_memory

2、内存碎片如何产生的

Redis内部有自己的内存管理器，为了提高内存使用的效率，来对内存的申请和释放进行管理。

Redis中的值删除的时候，并没有把内存直接释放，交还给操作系统，而是交给了Redis内部有内存管理器。

Redis中申请内存的时候，也是先看自己的内存管理器中是否有足够的内存可用。

Redis的这种机制，提高了内存的使用率，但是会使Redis中有部分自己没在用，却不释放的内存，导致了内存碎片的发生

3、跟踪内存碎片率

●内存碎片率在1到1.5之间是正常的，这个值表示内存碎片率比较低，也说明 Redis 没有发生内存交换。

●内存碎片率超过1.5，说明Redis消耗了实际需要物理内存的150%，其中50%是内存碎片率。

●内存碎片率低于1的，说明Redis内存分配超出了物理内存，操作系统正在进行内存交换swap分区。需要增加可用物理内存或减少 Redis内存占用。

4、解决碎片率大的方法

●Redis版本是4.0以下的，需要在 redis-cli 工具上输入 shutdown save 命令，让 Redis 数据库执行保存操作并关闭 Redis 服务，再重启服务器。Redis服务器重启后，Redis会将没用的内存归还给操作系统，碎片率会降下来。

●Redis4.0版本开始，可以在不重启的情况下，线上整理内存碎片。在使用命令config set activedefrag yes 便可以自动碎片清理，内存就会自动清理了；或手动使用命令memory purge 来实现手动清理碎片

5、内存使用率

redis实例的内存使用率超过可用最大内存，操作系统将开始进行内存与swap空间交换。

避免内存交换发生的方法：

●针对缓存数据大小选择安装 Redis 实例

●尽可能的使用Hash数据结构存储

●设置key的过期时间

6、内存数据淘汰策略

内存数据淘汰策略，保证合理分配redis有限的内存资源。

当达到设置的最大阀值时，需选择一种key的回收策略，默认情况下回收策略是禁止删除。

配置文件中修改 maxmemory-policy 属性值：

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf

1149行

maxmemory-policy noenviction

●volatile-lru：使用LRU算法从已设置过期时间的数据集合中淘汰数据(移除最近最少使用的key，针对设置了TTL的key)

●volatile-ttl：从已设置过期时间的数据集合中挑选即将过期的数据淘汰（移除最近过期的key）

●volatile-random：从已设置过期时间的数据集合中随机挑选数据淘汰（在设置了TTL的key里随机移除）

●allkeys-lru：使用LRU算法从所有数据集合中淘汰数据（移除最少使用的key，针对所有的key）

●allkeys-random：从数据集合中任意选择数据淘汰（随机移除key）

●noenviction：禁止淘汰数据（不删除直到写满时报错）

四、redis优化

1）设置 config set activedefrag yes 开启内存碎片自动清理，或者定时执行 memory purge 清理内存碎片
2）尽可能使用 hash 数据类型存储数据。因为 hash 类型的一个 key 可包含多个字段，该类型的数据占用空间较小
3）建议给 key 设置过期时间
4）精简 key 的键名和键值，控制 key 占用空间的大小，避免 bigkey 的产生（redis-cli --bigkeys 可用于查找bigKey）
5）修改配置 maxmemory 指定redis可占用的最大内存大小
     修改配置 maxmemory-policy 指定内存数据淘汰策略（key的回收策略），实现保证内存使用率不超过最大内存
     修改配置 maxmemory-samples 指定内存数据淘汰策略的样本数量，一般为3~7，值越大样本越精确
     修改配置 maxclients 指定最大客户端连接数
     修改配置 tcp-backlog 指定最大连接排队数
     修改配置 timeout 指定连接超时时间
     修改配置 lazyfree-lazy-expire yes  设置惰性删除，将删除过期key的操作放在后台中去执行，避免阻塞主线程
     修改配置 no-appendfsync-on-rewrite yes  设置AOF文件重写期间，AOF后台子进程不进行刷盘操作，避免AOF重写和fsync竞争磁盘IO资源，导致redis延迟增加
6）设置AOF持久化和主从复制来备份数据，采用哨兵或集群模式实现redis集群的高可用
7）建议设置 config set requirepass 或 修改配置 requirepass 来设置 redis 密码

五、redis的三大缓存问题

正常情况下，大部分的访问请求应该是先被redis响应的，在redis那里得不到响应的小部分访问请求才会去请求MySQL数据库获取数据，这样MySQL数据库的负载压力是非常小的，且可以正常工作。缓存雪崩/穿透/击穿三大问题的根本原因在于redis缓存命中率下降，大量请求会直接发送给MySQL数据库，导致MySQL数据库压力过大而崩溃

1、三大问题

缓存雪崩：redis中大量缓存key集体过期
缓存穿透：大量请求访问redis和MySQL都不存在的资源
缓存击穿：redis中一个热点key过期，此时又有大量用户访问这个热点key（redis-cli --hotkeys 可用于查找热Key）

2、解决方法

缓存雪崩：
使用随机数设置key的过期时间，防止集体过期
设置缓存标记，如果缓存过期，则自动更新缓存
数据库使用排他锁，实现加锁等待

缓存穿透：
对空值也进行缓存
使用布隆过滤器进行判断拦截一定不存在的无效请求
使用脚本实时监控，进行黑名单限制

缓存击穿：
预先对热点数据进行缓存预热
监控数据，实时调整过期时长
数据库使用排他锁，实现加锁等待

六、如何保证 MySQL 和 redis 的数据一致性？

读取数据时，先从redis读取数据，如果redis中没有，再从MySQL中读取，并将读取到的数据同步到redis缓存中。
更新数据时，先更新MySQL数据库，再更新redis缓存
删除数据时，先删除redis缓存，再删除MySQL数据库
对于一些关键数据，可以使用MySQL的触发器来实现同步更新redis缓存。也可以使用定时任务，定时自动进行缓存预热，来定期同步MySQL和redis的数据。