前言

• 文章首發於微信公眾號【碼猿技術專欄】：天天用Redis，持久化方案有哪些你知道嗎？
• Redis目前已經成為主流的記憶體資料庫了，但是大部分人僅僅是停留在會用的階段，你真的瞭解Redis內部的工作原理嗎？
• 今天這篇文章將為大家介紹Redis持久化的兩種方案，文章將會從以下五個方面介紹：
  1. 什麼是RDB，RDB如何實現持久化？
  2. 什麼是AOF，AOF如何實現持久化？
  3. AOF和RDB的區別。
  4. 如何重啟恢複數據？
  5. 持久化性能問題和解決方案

RDB

• RDB持久化是把當前進程數據生成快照保存到硬碟的過程， 觸發RDB持久化過程分為手動觸發和自動觸發。
• RDB完成後會自動生成一個文件，保存在dir配置的指定目錄下，文件名是dbfileName指定。
• Redis預設會採用LZF演算法對生成的RDB文件做壓縮處理，壓縮後的文件遠遠小於記憶體大小，預設開啟。

手動觸發

• 手動觸發的命令有save和bgsave。
• save：該命令會阻塞Redis伺服器，直到RDB的過程完成，已經被廢棄，因此線上不建議使用。
• bgsave：每次進行RDB過程都會fork一個子進程，由子進程完成RDB的操作，因此阻塞只會發生在fork階段，一般時間很短。

自動觸發

• 除了手動觸發RDB，Redis伺服器內部還有如下幾個場景能夠自動觸發RDB：
  1. 根據我們的 save m n 配置規則自動觸發。
  2. 如果從節點執行全量複製操作， 主節點自動執行bgsave生成RDB文件併發送給從節點。
  3. 執行debug reload命令重新載入Redis時， 也會自動觸發save操作。
  4. 預設情況下執行shutdown命令時， 如果沒有開啟AOF持久化功能則自動執行bgsave。

RDB執行流程

• RDB的主流方式就是bgsave，通過下圖我們來看看RDB的執行流程：
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• 通過上圖可以很清楚RDB的執行流程，如下：
  1. 執行bgsave命令後，會先判斷是否存在AOF或者RDB的子進程，如果存在，直接返回。
  2. 父進程fork操作創建一個子進程，fork操作中父進程會被阻塞。
  3. fork完成後，子進程開始根據父進程的記憶體生成臨時快照文件，完成後對原有的RDB文件進行替換。執行lastsave命令可以查看最近一次的RDB時間。
  4. 子進程完成後發送信號給父進程，父進程更新統計信息。

RDB的優點

• RDB是一個緊湊壓縮的二進位文件， 代表Redis在某個時間點上的數據快照。 非常適用於備份， 全量複製等場景。 比如每6小時執行bgsave備份，並把RDB文件拷貝到遠程機器或者文件系統中，用於災難恢復。
• Redis載入RDB恢複數據遠遠快於AOF的方式。

RDB的缺點

• RDB方式數據沒辦法做到實時持久化/秒級持久化。 因為bgsave每次運行都要執行fork操作創建子進程，屬於重量級操作，頻繁執行成本過高。
• RDB文件使用特定二進位格式保存， Redis版本演進過程中有多個格式的RDB版本， 存在老版本Redis服務無法相容新版RDB格式的問題。

AOF

• AOF（append only file） 持久化： 以獨立日誌的方式記錄每次寫命令，重啟時再重新執行AOF文件中的命令達到恢複數據的目的。 AOF的主要作用是解決了數據持久化的實時性， 目前已經是Redis持久化的主流方式。

如何開啟AOF

• 開啟AOF功能需要設置配置：appendonly yes， 預設不開啟。 AOF文件名通過appendfilename配置設置， 預設文件名是appendonly.aof。 保存路徑同RDB持久化方式一致，通過dir配置指定。

AOF整體的執行流程

• AOF執行的流程大致分為命令寫入、文件同步、文件重寫、重啟載入四個步驟，如下圖：
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• 從上圖大致瞭解了AOF的執行流程，下麵一一分析上述的四個步驟。

命令寫入

• AOF命令寫入的內容直接是文本協議格式。 例如set hello world這條命 令， 在AOF緩衝區會追加如下文本：

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

• 命令寫入是直接寫入到AOF的緩衝區中，至於為什麼？原因很簡單，Redis使用單線程響應命令，如果每次寫AOF文件命令都直接追加到硬碟， 那麼性能完全取決於當前硬碟負載。先寫入緩衝區aof_buf中， 還有另一個好處， Redis可以提供多種緩衝區 同步硬碟的策略，在性能和安全性方面做出平衡。

文件同步

• Redis提供了多種AOF緩衝區同步文件策略， 由參數appendfsync控制，如下：
  • 配置為always時， 每次寫入都要同步AOF文件， 在一般的SATA硬碟上，Redis只能支持大約幾百TPS寫入， 顯然跟Redis高性能特性背道而馳，不建議配置。
  • 配置為no，由於操作系統每次同步AOF文件的周期不可控，而且會加大每次同步硬碟的數據量，雖然提升了性能，但數據安全性無法保證。
  • 配置為everysec（預設的配置），是建議的同步策略， 也是預設配置，做到兼顧性能和數據安全性。理論上只有在系統突然宕機的情況下丟失1秒的數據（當然，這是不太準確的）。

文件重寫機制

• 隨著命令不斷寫入AOF， 文件會越來越大， 為瞭解決這個問題， Redis引入AOF重寫機制壓縮文件體積。 AOF文件重寫是把Redis進程內的數據轉化為寫命令同步到新AOF文件的過程。
• 為什麼要文件重寫呢？ 因為文件重寫能夠使得AOF文件的體積變得更小，從而使得可以更快的被Redis載入。
• 重寫過程分為手動觸發和自動觸發。
  • 手動觸發直接使用bgrewriteaof命令。
  • 根據auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage參數確定自動觸發時機。
• auto-aof-rewrite-min-size：表示運行AOF重寫時文件最小體積， 預設為64MB。
• auto-aof-rewrite-percentage：代表當前AOF文件空間（aof_current_size） 和上一次重寫後AOF文件空間（aof_base_size） 的比值。
• 自動觸發時機相當於aof_current_size>auto-aof-rewrite-minsize&&（aof_current_size-aof_base_size） /aof_base_size>=auto-aof-rewritepercentage。其中aof_current_size和aof_base_size可以在info Persistence統計信息中查看。
• 那麼文件重寫後的AOF文件為什麼會變小呢？ 有如下幾個原因：
  1. 進程內已經超時的數據將不會再次寫入AOF文件中。
  2. 舊的AOF文件含有無效命令，如del key1、 hdel key2等。重寫使用進程內數據直接生成，這樣新的AOF文件只保留最終數據的寫入命令。
  3. 多條寫命令可以合併為一個， 如：lpush list a、 lpush list b、lpush listc可以轉化為：lpush list a b c。為了防止單條命令過大造成客戶端緩衝區溢出，對於list、 set、 hash、 zset等類型操作，以64個元素為界拆分為多條。
• 介紹了文件重寫的系列知識，下麵來看看Redis內部是如何進行文件重寫的，如下圖：
• 看完上圖，大致瞭解了文件重寫的流程，對於重寫的流程，補充如下：
  1. 重寫期間，主線程並沒有阻塞，而是在執行其他的操作命令，依然會向舊的AOF文件寫入數據，這樣能夠保證備份的最終完整性，如果數據重寫失敗，也能保證數據不會丟失。
  2. 為了把重寫期間響應的寫入信息也寫入到新的文件中，因此也會為子進程保留一個緩衝區，防止新寫的文件丟失數據。
  3. 重寫是直接把當前記憶體的數據生成對應命令，並不需要讀取老的AOF文件進行分析、命令合併。
  4. AOF文件直接採用的文本協議，主要是相容性好、追加方便、可讀性高可認為修改修複。
  5. 無論是RDB還是AOF都是先寫入一個臨時文件，然後通過重命名完成文件的替換。

AOF的優點

• 使用 AOF 持久化會讓 Redis 變得非常耐久：你可以設置不同的 fsync 策略，比如無 fsync ，每秒鐘一次 fsync ，或者每次執行寫入命令時 fsync 。 AOF 的預設策略為每秒鐘 fsync 一次，在這種配置下，Redis 仍然可以保持良好的性能，並且就算發生故障停機，也最多只會丟失一秒鐘的數據（ fsync 會在後臺線程執行，所以主線程可以繼續努力地處理命令請求）。

AOF的缺點

• 對於相同的數據集來說，AOF 文件的體積通常要大於 RDB 文件的體積。根據所使用的 fsync 策略，AOF 的速度可能會慢於 RDB。 在一般情況下， 每秒 fsync 的性能依然非常高， 而關閉 fsync 可以讓 AOF 的速度和 RDB 一樣快， 即使在高負荷之下也是如此。不過在處理巨大的寫入載入時，RDB 可以提供更有保證的最大延遲時間。
• 數據恢復速度相對於RDB比較慢。

AOF和RDB的區別

• RDB持久化是指在指定的時間間隔內將記憶體中的數據集快照寫入磁碟，實際操作過程是fork一個子進程，先將數據集寫入臨時文件，寫入成功後，再替換之前的文件，用二進位壓縮存儲。
• AOF持久化以日誌的形式記錄伺服器所處理的每一個寫、刪除操作，查詢操作不會記錄，以文本的方式記錄，可以打開文件看到詳細的操作記錄。

重啟載入

• 無論是RDB還是AOF都可用於伺服器重啟時的數據恢復，執行流程如下圖：
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• 上圖很清晰的分析了Redis啟動恢複數據的流程，先檢查AOF文件是否開啟，文件是否存在，再檢查RDB是否開啟，文件是否存在。

性能問題與解決方案

• 通過上面的分析，我們都知道RDB的快照、AOF的重寫都需要fork，這是一個重量級操作，會對Redis造成阻塞。因此為了不影響Redis主進程響應，我們需要儘可能降低阻塞。
• 那麼如何減少fork操作的阻塞呢？
  1. 優先使用物理機或者高效支持fork操作的虛擬化技術。
  2. 控制Redis實例最大可用記憶體， fork耗時跟記憶體量成正比， 線上建議每個Redis實例記憶體控制在10GB以內。
  3. 合理配置Linux記憶體分配策略，避免物理記憶體不足導致fork失敗。
  4. 降低fork操作的頻率，如適度放寬AOF自動觸發時機，避免不必要的全量複製等。

總結

• 本文介紹了Redis持久化的兩種不同的策略，大部分內容是運維人員需要掌握的，當然作為後端人員也是需要瞭解一下，畢竟小公司都是一人搞全棧，哈哈。
• 如果覺得陳某寫的不錯，有所收穫的話，關註分享一波，你的關註將是陳某寫作的最大動力，謝謝支持！！！
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