[大数据]Redis高可用（二）- 持久化

持久化：解决单机备份问题。Redis是内存数据库，数据都是存储在内存中，为了避免进程退出导致数据的永久丢失，所以定期将Redis中的数据或写命令从内存保存到硬盘，重启时利用持久化文件实现数据恢复。

Redis持久化方式有两种：

• RDB持久化：保存当前内存数据到硬盘；
• AOF持久化：保存执行的每条写命令到硬盘（类似于MySQL的binlog）；AOF持久化的实时性高，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。

一、RDB持久化(Redis DataBase)

RDB持久化是将当前进程中的全量数据生成快照保存到硬盘，也称作快照持久化，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、触发条件

RDB持久化的触发分为两种：手动触发、自动触发。

手动触发：

1.save命令：阻塞Redis服务器主进程，服务器不能处理任何命令请求，直到RDB文件创建完。

2.bgsave命令：会创建一个子进程，由子进程负责创建RDB文件，父进程(即Redis主进程)继续处理请求。只有创建子进程时会阻塞服务器，后面过程不阻塞；自动触发RDB持久化时，Redis也是使用bgsave。

自动触发：

1.在redis.conf配置文件中配置触发条件save m n（当m秒内发生n次变化时则会触发bgsave）。可配置多个，当满足任意一个条件时都会触发bgsave。

https://github.com/redis/redis/blob/3.2/redis.conf#L202
# save <seconds> <changes>

// 可配置多个
// 当时间到900秒时，如果redis数据发生了至少1次变化，则执行bgsave
save 900 1
save 300 10
save 60 10000

2.主从复制场景下，从节点需要全量复制，则主节点会执行bgsave命令，并将rdb文件发送给从节点；

3.debug reload提供debug级别的重启，不清空内存的一种重启，这种方式也会触发RDB文件的生成；

4.执行shutdown命令时，自动执行rdb持久化，如下图日志：

save m n 配置的实现原理：

通过serverCron函数、dirty计数器、和lastsave时间戳来实现的。Redis会每隔100ms执行serverCron函数，会检查所有save m n的配置，只要满足一个save m n则执行bgsave。

• 当前时间-lastsave > m
• dirty >= n

serverCron函数：Redis服务器的周期性操作函数，默认每隔100ms执行一次，来对各种状态进行维护，如检查save m n配置是否满足条件，满足就执行bgsave；判断当前user_memory和user_memory_peak大小来设置内存使用峰值等等；函数源码地址：redis/server.c at 3.2 · redis/redis · GitHub

dirty计数器：Redis服务器维持的一个状态，记录执行bgsave/save命令后，进行了多少次修改(包括增删改)；而当save/bgsave执行完成后，会将dirty重新置为0。

// dirty记录的是服务器进行了多少次修改，而不是客户端执行了多少条修改数据的命令。
set mykey helloworld
// 则dirty+1
sadd myset v1 v2 v3
// 则dirty+3

lastsave时间戳：也是Redis服务器维持的一个状态，记录上一次成功执行save/bgsave的时间。

2、执行流程

Redis源码剖析（十）--RDB持久化 - 不学习就没有梦想 - 博客园

1. Redis父进程判断：当前是否有正在执行save/bgsave/bgrewriteaof（后面会详细介绍该命令）的子进程，如果在执行则bgsave命令直接返回。bgsave/bgrewriteaof 的子进程不能同时执行，主要是基于性能方面的考虑：两个并发的子进程同时执行大量的磁盘写操作，可能引起严重的性能问题。
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

3、RDB文件

RDB文件是经过压缩的二进制文件。

存储路径：

RDB文件的存储路径既可以在启动前配置，也可以通过命令动态设定。

// 配置地址：https://github.com/redis/redis/blob/3.2/redis.conf#L236
// redis.conf文件里面配置，默认是Redis根目录下的dump.rdb文件

// dir配置指定目录
# Note that you must specify a directory here, not a file name.
dir ./

// dbfilename指定文件名
# The filename where to dump the DB
dbfilename dump.rdb

// 动态修改RDB存储路径，在磁盘损害或空间不足时非常有用
config set dir {newdir}
config set dbfilename {newFileName}

?RDB文件格式：

• REDIS：5字节常量，保存着 "REDIS" 五个字符；
• db_version：4字节，RDB文件的版本号，非Redis版本号；
• database 0：一个完整的数据库(0号数据库)，同理database 3表示3号数据库。只有当数据库中有键值对时，RDB文件中才会有该数据库的信息(上图所示的Redis中只有0号和3号数据库有键值对)；
  • SELECTDB：1字节常量，代表后面跟着的是数据库号码；
  • db_number：数据库号码；
  • key_value_pairs：具体键值对数据，含过期时间的键值对会带有 EXPIRETIME_MS 和过期时间。
  • key_value_pairs键值对中的 TYPE 属性：记录类对象的编码类型，程序会根据 TYPE 属性来决定如何读入和解释value数据。
• EOF：常量，RDB文件结束标志。
• check_sum：前面所有内容的校验和（CRC64），通过比较计算来比较，用来检查RDB文件是否出错或损坏。

默认采用LZF算法对RDB文件进行压缩。虽然压缩耗时，但是可以大大减小RDB文件的体积。RDB文件的压缩并不是针对整个文件，而是对数据库中的字符串进行的，且只有在字符串达到一定长度(20字节)时才会进行。

// https://github.com/redis/redis/blob/3.2/redis.conf#L225
// redis.conf配置中压缩默认开启
rdbcompression yes

// 通过命令关闭rdb压缩
config set rdbcompression no

??

4、启动时加载

• RDB文件的载入是服务器启动时自动执行的，没有专门的命令；
• 但AOF的优先级更高，当AOF开启时，Redis会优先载入AOF文件恢复数据；只有当AOF关闭时，才会自动载入RDB文件；
• 服务器载入RDB文件期间处于阻塞状态，直到载入完成为止；
• 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。

5、RDB常用配置总结

// RDB文件和AOF文件所在目录
dir ./

// RDB文件名
dbfilename dump.rdb

// bgsave自动触发的条件；如果没有save m n配置，相当于自动的RDB持久化关闭，不过此时仍可以通过其他方式触发
save <seconds> <changes>

// 当bgsave出现错误时，Redis是否停止执行写命令；
// 设置为yes，当硬盘出现问题时，可以及时发现，避免数据的大量丢失；
// 设置为no，则Redis无视bgsave的错误继续执行写命令，当对Redis服务器的系统(尤其是硬盘)使用了监控时，该选项考虑设置为no
stop-writes-on-bgsave-error yes：

// 是否开启RDB文件压缩
rdbcompression yes

// 是否开启RDB文件的校验，在写入文件和读取文件时都起作用；
// 关闭checksum在写入文件和启动文件时大约能带来10%的性能提升，但是数据损坏时无法发现。
rdbchecksum yes

四、AOF持久化(Append-only File)

AOF持久化即Append Only File，将Redis执行的写命令记录到AOF日志文件中（有点像MySQL的binlog），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实时性更好，因此已成为主流的持久化方案。

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；

// 配置地址：https://github.com/redis/redis/blob/3.2/redis.conf#L593
// aof开关
appendonly no

// aof文件名
appendfilename "appendonly.aof"

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，AOF的执行流程：

• 命令追加(append)：将Redis的写命令追加到缓冲区aof_buf；
• 文件写入(write)和文件同步(sync)：根据不同的同步策略将aof_buf中的内容同步到硬盘；
• 文件重写(rewrite)：定期重写AOF文件，达到压缩的目的。

命令追加(append)：

• 将写命令追加到缓冲区，而不是直接写入文件，避免每次有写命令的磁盘IO，影响性能；
• 命令追加的格式是Redis命令请求的协议格式，它是一种纯文本格式，简单易读易操作；
• 在AOF文件中，除了用于指定数据库的select命令（如select 0 为选中0号数据库）是由Redis添加的，其他都是客户端发送来的写命令；

文件写入(write)和文件同步(fsync)：

Redis提供了多种AOF缓存区的同步策略，策略涉及到操作系统的write函数和fsync函数。

• write函数：将数据写入文件时，操作系统通常会将数据暂存到一个内存缓冲区里，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；虽然提高了效率，但也带来了安全问题：如果计算机停机，内存缓冲区中的数据会丢失；
• fsync、fdatasync等同步函数：可以强制操作系统立刻将缓冲区中的数据写入到硬盘里，从而确保数据的安全性。

// 同步策略配置，https://github.com/redis/redis/blob/3.2/redis.conf#L622
// 通过appendfsync来配置
appendfsync everysec

同步策略各种配置值的作用：

• 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；写命令都进行磁盘IO，Redis只能支持大约几百TPS写入，严重降低了Redis的性能。即便使用固态硬盘（SSD），每秒大约也只能处理几万个命令，而且会降低SSD的寿命。
• no：命令写入aof_buf后调用系统write操作；同步由操作系统负责，通常同步周期为30秒。文件同步时间不可控，缓冲区堆积数据多，数据安全无法保证。
• 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的默认和推荐配置。

3、文件重写(rewrite)

随着时间积累，AOF文件的写命令越来越多，文件体积也越来越大；过大的AOF文件不仅会影响服务器的运行，也会导致数据恢复时间过长。AOF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；不会对旧的AOF文件进行任何读取、写入操作!

1. AOF重写会减少AOF文件的体积
2. 加速服务恢复速度

文件重写为什么能压缩AOF文件体积？

• 过期数据不再写入文件
• 无效的命令不再写入文件：如数据多次重复设置(set key v1，set key v2)、删除数据(sadd myset v1, del myset)等等；
• 多条命令合并：如sadd myset v1, sadd myset v2, sadd myset v3可以合并为sadd myset v1 v2 v3。为了防止单条命令过大造成客户端缓冲区溢出，list、set、hash、zset类型的key，并不一定只使用一条命令；而是以某个常量为界将命令拆分为多条。这个常量在redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD中定义，不可更改，3.0版本中值是64。

文件重写的触发

触发分为手动触发和自动触发；

手动触发：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：根据配置auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage参数，以及aof_current_size和aof_base_size状态确定触发时机。

auto-aof-rewrite-min-size 64mb：AOF文件大小超过64m时重写；

auto-aof-rewrite-percentage 100：当前AOF大小(即aof_current_size)和上一次重写时AOF大小(aof_base_size)的比值超过100%时进行重写。

当auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage同时满足时，才会自动触发AOF重写，即bgrewriteaof操作。

?文件重写的流程：

• 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。基于性能方面的考虑。
• 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。
• 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。
• 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(图中的aof_rewrite_buf)保存这部分数据，为了防止新AOF文件生成期间丢失这部分数据，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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 新的AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

在AOF重写的过程中，如果有新的写命令到来了，会影响AOF重写吗？

不会，新的写命令不仅会记录AOF缓冲区，还会记录到AOF重写缓冲区，这样当AOF重写结束后，把AOF重写缓冲区数据写到新AOF文件，就不会丢失了。

4、启动时加载

当AOF配置开启时，Redis会优先载入AOF文件来恢复数据；只有当AOF关闭时，才会使用RDB文件恢复数据。

文件校验：与载入RDB文件类似，载入AOF文件时，也会进行校验，如果文件损坏，则日志中打印错误，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。

伪客户端：因为AOF文件存储的是Redis命令，且命令只能在客户端上下文中执行；Redis服务器在载入AOF文件之前，会创建一个没有网络连接的客户端，来执行AOF文件中的命令，命令执行的效果与带网络连接的客户端完全一样，恢复数据。

5. AOF常用配置总结

// 是否开启AOF，默认关闭
appendonly no

// AOF文件名
appendfilename "appendonly.aof"

// RDB文件和AOF文件所在目录
dir ./

// fsync持久化策略
appendfsync everysec

// AOF重写期间是否禁止fsync;
// 启该选项，可以减轻文件重写时CPU和硬盘的负载（尤其是硬盘），但是可能会丢失AOF重写期间的数据；需要在负载和安全性之间进行平衡。
no-appendfsync-on-rewrite no

// 文件重写触发条件之一，当前AOF大小(即aof_current_size)和上一次重写时AOF大小(aof_base_size)的比值超过100%时进行重写。
auto-aof-rewrite-percentage 100
// 文件重写触发提交之一, AOF文件大小超过64m时重写
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

// 如果AOF文件结尾损坏，Redis启动时是否仍载入AOF文件
aof-load-truncated yes

五、方案选择与常见问题

1、RDB和AOF优缺点

• 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。
• RDB文件的缺点在于其数据快照的持久化方式决定了实时差，数据的大量丢失无法接受只能选择AOF持久化。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）。
• 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。

2、持久化策略选择

无论是RDB还是AOF，持久化的开启都是要付出性能的代价。

• RDB持久化，bgsave进行fork操作时阻塞主进程；子进程向硬盘写数据也会带来IO压力；
• 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。可能造成AOF追加阻塞问题。

1. Redis完全用作DB层数据的cache层，那么无论是单机还是主从，都可以不进行任何持久化。
2. 在单机环境下（对于个人开发者），如果可以接受十几分钟或更多数据丢失，可以选择RDB持久化；只能接受秒级别的数据丢失，应该选择AOF。
3. 多数生产环境下会配置主从或集群，slave既可以实现数据热备，也可以进行读写分离，以及在master宕掉后继续提供服务。可以：
   1. master：完全关闭持久化（包括RDB和AOF），让master的性能达到最好；
   2. slave：关闭RDB，开启AOF（对数据安全要求不高，开启RDB关闭AOF也可以），定时对持久化文件进行备份。关闭AOF的自动重写，通过定时任务在每天Redis闲时（如凌晨12点）调用bgrewriteaof。
4. 异地灾备：同机房断电、火宅导致磁盘损坏。所有需要将定时将RDB文件或重写后的AOF文件拷贝到远程机器上。一般，由于RDB文件文件小、恢复快，因此灾难恢复常用RDB文件；异地备份的频率根据数据安全性的需要及其他条件来确定，但最好不要低于一天一次。

Redis重启数据加载逻辑

3、fork阻塞：CPU的阻塞

在实践中，为什么Redis的单机内存不能过大？

• 当请求暴增，需要从库扩容时，Redis内存过大会导致扩容时间太长；
• 持久化过程中的fork操作时，生成内存页时间变长；
• 当主机宕机时，主从切换，Redis内存过大导致挂载速度过慢；

fork操作细节：

fork采用操作系统提供的写时复制机制(copy-on-write，COW)，避免一次性拷贝大量内存数据给主进程造成阻塞问题，fork时会拷贝进程必要的数据结构，如内存页表（虚拟内存和物理内存的映射索引表）。拷贝过程会消耗大量CPU资源，拷贝完成之前进程是阻塞的，所有阻塞时间取决于整个内存大小，实例越大，内存页表越大，fork阻塞时间越长。

拷贝完内存页表后，子进程与父进程指向相同的内存地址空间。也就是说，子进程没有复制内存，而是共享内存，通过内存页表指向同一内存地址。

但是kenel会把所有内存页设置为read-only只读权限，当主线程进行写操作时，会触发页异常中断(page-fault)，页中断处理会copy复制出新的内存页。所以当没有数据改变时，主进程和子进程共享内存数据，只有数据变更时，才进行copy操作。即copy-on-warite。

RDB持久化的bgsave和AOF重写的bgrewriteaof都会fork出子进程操作，如果redis内存过大，会导致fork操作时复制内存页表耗时过多；而fork会堵塞主进程。Redis单机内存达到了10GB，fork时耗时可能会达到百毫秒级别（如果使用Xen虚拟机，这个耗时可能达到秒级别），可通过命令info stats，查看latest_fork_usec的值，单位为微秒。

4、AOF追加阻塞：硬盘的阻塞

AOF的everysec策略流程图：

1. 文件写入：主线程中，命令写入aof_buf后调用系统write操作，write完成后主线程返回。
2. 文件同步：由专门的文件同步线程每秒调用系统的fsync同步硬盘
3. 主线程每次AOF会对比上次fsync成功的时间，距上次不到2s，主线程直接返回；超过2s，则主线程阻塞直到fsync同步完成。

因此系统硬盘负载过大导致fsync速度太慢，会导致Redis主线程的阻塞；使用everysec配置，AOF最多可能丢失2s的数据，而不是1s。

这样处理的好处是Redis主线程高速的想aof_buf写入命令，磁盘负载可能越来越大，IO资源占用越来越多，如果Redis异常退出，丢失的数据也会越多。

AOF追加阻塞问题定位的方法：

1. info Persistence中的aof_delayed_fsync：AOF追加阻塞发生的累积次数（即主线程等待fsync而阻塞）。
2. AOF阻塞时的Redis日志
3. 频繁发生AOF阻塞时，说明系统的硬盘负载太大，可以更换IO速度更快的硬盘，或通过IO监控分析工具对系统的IO负载进行分析，如iostat（系统级io）、iotop（io版的top）、pidstat等。

5、info Persistence命令

看持久化相关状态的方法

rdb_last_bgsave_status:上次bgsave 执行结果，可以用于发现bgsave错误
rdb_last_bgsave_time_sec:上次bgsave执行时间（单位是s），可以用于发现bgsave是否耗时过长
aof_enabled:AOF是否开启
aof_last_rewrite_time_sec: 上次文件重写执行时间（单位是s），可以用于发现文件重写是否耗时过长
aof_last_bgrewrite_status: 上次bgrewrite执行结果，可以用于发现bgrewrite错误
aof_buffer_length和aof_rewrite_buffer_length:aof缓存区大小和aof重写缓冲区大小
aof_delayed_fsync:AOF追加阻塞情况的统计

6、混合持久化

重启Redis很少使用RDB来恢复内存，因为会丢失大量数据；通常使用AOF回放，但相对于RDB会慢很多，启动花费时间长。

Redis4.0提出了混合使用AOF日志和内存快照的方法。内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，还用AOF日志记录着期间的所有命令操作。这样可以避免频繁的生成快照；AOF只记录两次快照间记录，减少文件大小，避免重写开销。

在Redis重启时，可以先加载RDB的内容，然后再重放增量AOF日志就可以完全替代之前AOF全量文件重放，重启效率的到提升。

总结：

1、持久化在Redis高可用中的作用：数据备份，与主从复制相比强调的是由内存到硬盘的备份。

2、RDB持久化：将数据快照备份到硬盘；介绍了其触发条件（包括手动出发和自动触发）、执行流程、RDB文件等，特别需要注意的是文件保存操作由fork出的子进程来进行。

3、AOF持久化：将执行的写命令备份到硬盘（类似于MySQL的binlog），介绍了其开启方法、执行流程等，特别需要注意的是文件同步策略的选择（everysec）、文件重写的流程。

4、一些现实的问题：包括如何选择持久化策略，以及需要注意的fork阻塞、AOF追加阻塞等。