Redis持久化

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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，当下次重启时利用之前持久化的文件即可实现数据恢复。

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： bgsave命令是针对save阻塞问题做的优化，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。

* Background saving started by pid 2972
* DB saved on disk
* RDB: 4 MB of memory used by copy-on-write
* Background saving terminated with success

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。默认的配置如下：

    # 15分钟内有1次修改
save 900 1                          
# 5分钟内有10次修改                  
save 300 10                         
# 1分钟内有10000次修改               
save 60 10000

  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。

bgsave的流程说明

bgsave.png

  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，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。
  • 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，存在老版本Redis服务无法兼容新版RDB格式的问题。

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。

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）

命令写入

所有的写入命令会追加到aof_buf（缓冲区）中。

写入的内例如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
文件同步

AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。

Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制，不同值的含义如表:

可配置值 说明
always 命令写入aof_buf后调用系统fsync操作同步到AOF文件，fsync完成后线程返回
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线程每秒调用一次
no 命令写入aof_buf后调用write操作，不对AOF文件做fsync同步，同步硬盘操作由操作系统负责，通常同步周期最长30秒

系统调用write： 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。

在everysec配置策略下，Redis使用另一条线程每秒执行fsync同步硬盘。当系统硬盘资源繁忙时，会造成Redis主线程阻塞。

阻塞流程分析：

  1. 主线程负责写入AOF缓冲区

  2. AOF线程负责每秒执行一次同步磁盘操作，并记录最近一次同步时间

  3. 主线程负责对比上次AOF同步时间：

  • 如果距上次同步成功时间在2秒内，主线程直接返回
  • 如果距上次同步成功时间超过2秒，主线程将会阻塞，直到同步操作完成
重写机制

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。

  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 a 111、set a 222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。

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。

AOF重写运作流程

bgrewriteaof.png

  1. 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。

  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。最后由父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件。

  3. 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。

重启加载

当Redis服务器重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复。

  1. AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件

  2. AOF关闭或者AOF文件不存在时，加载RDB文件

  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 <filename>

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。