《Redis开发与运维》学习笔记--Redis持久化

本文是《Redis开发与运维》的学习笔记。内容大部分摘自此书。

众所周知，redis是内存数据库，它把数据存储在内存中，这样在加快读取速度的同时也对数据安全性产生了新的问题，即当redis所在服务器发生宕机后，redis数据库里的所有数据将会全部丢失。为了解决这个问题，redis提供了持久化功能——RDB和AOF。通俗的讲就是将内存中的数据写入硬盘中。当下次重启时利用之前持久化的文件即可实现数据恢复。

一、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RBD持久化过程分为手动触发和自动触发。

1.1触发机制

对于手动触发，分别对应save和bgsave命令：
save：阻塞当前Redis服务器，知道RDB过程完成。
bgsave：）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。
自动触发的场景：
①save m n 表示m秒内数据集存在n次修改时，自动触发bgsave。
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，也会自动触发save操作。
④默认情况下执行shutdown命令时，如果没有开启AOF，则自动执行bgsave。

1.2流程说明

图片中的 5 个步骤所进行的操作如下：

• Redis 父进程首先判断：当前是否在执行 save 或 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 子进程发送信号给父进程表示完成，父进程更新统计信息。

1.3 RDB文件

RDB 文件是经过压缩的二进制文件，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。

RDB 文件格式如下图所示：

其中各个字段的含义说明如下：

• REDIS：常量，保存着“REDIS”5 个字符。
• db_version：RDB 文件的版本号，注意不是 Redis 的版本号。
• SELECTDB 0 pairs：表示一个完整的数据库(0 号数据库)，同理 SELECTDB 3 pairs 表示完整的 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)；如果 Redis 中所有的数据库都没有键值对，则这一部分直接省略。

其中：SELECTDB 是一个常量，代表后面跟着的是数据库号码；0 和 3 是数据库号码；pairs 则存储了具体的键值对信息，包括 key、value 值，及其数据类型、内部编码、过期时间、压缩信息等等。

• EOF：常量，标志 RDB 文件正文内容结束。
• check_sum：前面所有内容的校验和；Redis 在载入 RBD 文件时，会计算前面的校验和并与 check_sum 值比较，判断文件是否损坏。

二、AOF

RDB 持久化是将进程数据写入文件，而 AOF 持久化(即 Append Only File 持久化)，则是将 Redis 执行的每次写命令记录到单独的日志文件中，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使用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：appendonly yes。

AOF的工作流程操作：命令写入、文件同步、文件重写、重启加载。

(1)命令写入（append）
Redis 先将写命令追加到缓冲区，而不是直接写入文件，主要是为了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。

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，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，具体格式略。

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。

(2)文件写入(write)和文件同步(sync)
Redis 提供了多种 AOF 缓存区的同步文件策略，策略涉及到操作系统的 write 函数和 fsync 函数，说明如下：

为了提高文件写入效率，在现代操作系统中，当用户调用 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。
这样的操作虽然提高了效率，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。

因此系统同时提供了 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。

AOF 缓存区的同步文件策略由参数 appendfsync 控制，各个值的含义如下：

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。

no：命令写入 aof_buf 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。

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

（3）文件重写（rewrite）
随着时间流逝，Redis 服务器执行的写命令越来越多，AOF 文件也会越来越大；过大的 AOF 文件不仅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。

文件重写是指定期重写 AOF 文件，减小 AOF 文件的体积。需要注意的是，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！

关于文件重写需要注意的另一点是：对于 AOF 持久化来说，文件重写虽然是强烈推荐的，但并不是必须的。即使没有文件重写，数据也可以被持久化并在 Redis 启动的时候导入。

因此在一些实现中，会关闭自动的文件重写，然后通过定时任务在每天的某一时刻定时执行。

文件重写之所以能够压缩 AOF 文件，原因在于：

• 过期的数据不再写入文件。
• 无效的命令不再写入文件：如有些数据被重复设值(set mykey v1，set mykey v2)、有些数据被删除了(sadd myset v1，del myset)等等。
• 多条命令可以合并为一个：如 sadd myset v1，sadd myset v2，sadd myset v3 可以合并为 sadd myset v1 v2 v3。

不过为了防止单条命令过大造成客户端缓冲区溢出，对于 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。

通过上述内容可以看出，由于重写后 AOF 执行的命令减少了，文件重写既可以减少文件占用的空间，也可以加快恢复速度。

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，根据 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：执行 AOF 重写时，文件的最小体积，默认值为 64MB。
• auto-aof-rewrite-percentage：执行 AOF 重写时，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。

其中，参数可以通过 config get 命令查看
config get auto-aof-rewrite-min-size

只有当 auto-aof-rewrite-min-size 和 auto-aof-rewrite-percentage 两个参数同时满足时，才会自动触发 AOF 重写，即 bgrewriteaof 操作。

文件重写流程如下图所示：

对照上图，文件重写的流程如下：

• 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，这个主要是基于性能方面的考虑。
• 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(图中的 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。

三、重启加载

前面提到过，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。

整个加载文件的过程如下图：

与载入 RDB 文件类似，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。

四、问题定位与优化

4.1 fork操作

首先说明一下 fork 操作：父进程通过 fork 操作可以创建子进程；子进程创建后，父子进程共享代码段，不共享进程的数据空间，但是子进程会获得父进程的数据空间的副本。

在操作系统 fork 的实际实现中，基本都采用了写时复制技术，即在父/子进程试图修改数据空间之前，父子进程实际上共享数据空间。

但是当父/子进程的任何一个试图修改数据空间时，操作系统会为修改的那一部分(内存的一页)制作一个副本。

虽然 fork 时，子进程不会复制父进程的数据空间，但是会复制内存页表（页表相当于内存的索引、目录）；父进程的数据空间越大，内存页表越大，fork 时复制耗时也会越多。

在 Redis 中，无论是 RDB 持久化的 bgsave，还是 AOF 重写的 bgrewriteaof，都需要 fork 出子进程来进行操作。

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 Redis 主进程在进行 fork 时，是完全阻塞的，也就意味着无法响应客户端的请求，会造成请求延迟过大。

对于不同的硬件、不同的操作系统，fork 操作的耗时会有所差别，一般来说，如果 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）。

因此，一般来说 Redis 单机内存一般要限制在 10GB 以内；不过这个数据并不是绝对的，可以通过观察线上环境 fork 的耗时来进行调整。

观察的方法如下：执行命令 info stats，查看 latest_fork_usec 的值，单位为微秒。

为了减轻 fork 操作带来的阻塞问题，除了控制 Redis 单机内存的大小以外，还可以适度放宽 AOF 重写的触发条件、选用物理机或高效支持 fork 操作的虚拟化技术等，例如使用 Vmware 或 KVM 虚拟机，不要使用 Xen 虚拟机。

4.2子进程开销

• CPU
• 内存
• 硬盘

4.3硬盘追加阻塞

有关linux写时复制：https://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/20/2601655.html