# RDB持久化机制

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持久化过程可以分为手动触发和自动触发。

在Redis中，总共支持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手动触发持久化机制

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：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。运行bgsave命令对应的Redis日志如下：

    * Background saving started by pid 3151
* DB saved on disk
* RDB: 0 MB of memory used by copy-on-write
* Background saving terminated with success

显然bgsave命令是针对save命令阻塞问题做的优化。因此Redis内部所有的涉及RDB的操作都采用bgsave的方式，而save命令已经废弃。

# RDB自动触发持久化机制

除了执行命令手动触发之外，Redis内部还存在自动触发RDB的持久化 机制，例如以下场景：

  • 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。
  • 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。
  • 执行debug reload命令重新加载Redis时，也会自动触发save操作。
  • 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命令触发RDB持久化流程

bgsave是主流的触发RDB持久化方式，大致可以分为以下5个步骤：

  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命令则直接返回。
  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。

# RDB文件的处理

RDB文件的处理主要可以分为三种：保存、压缩、校验。

  • 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。

    提示

    虽然压缩RDB会消耗CPU，但可大幅降低文件的体积，方便保存到硬盘 或通过网络发送给从节点，因此线上建议开启。

  • 校验：如果Redis加载损坏的RDB文件时拒绝启动，并打印如下日志：

    # Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now.

    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文件的优缺点

  • RDB文件的优点：

    1. 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。比如每6小时执行bgsave备份， 并把RDB文件拷贝到远程机器或者文件系统中（如hdfs），用于灾难恢复。
    2. Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。

  • RDB的缺点：

    1. RDB方式数据没办法做到实时持久化/秒级持久化。因为bgsave命令每次运行都要执行fork操作创建子进程，属于重量级操作，频繁执行成本过高。

    2. RDB文件使用特定二进制格式保存，Redis版本演进过程中有多个格式的RDB版本，存在老版本Redis服务无法兼容新版RDB格式的问题。

针对RDB不适合实时持久化的问题，Redis提供了AOF持久化方式来解决。

# AOF持久化机制

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。

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触发持久化流程

AOF触发持久化流程大致可以分为以下四个步骤：

  1. 命令写入（append）：所有的写入命令会追加到aof_buf（缓冲区）中。
  2. 文件同步（sync）：AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。
  3. 文件重写（rewrite）：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。
  4. 重启加载 （load）：当Redis服务器重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复。

# AOF触发持久化流程-命令写入

AOF命令写入的内容直接是文本协议格式。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

AOF直接采用文本协议格式有以下优势：

  • 文本协议具有很好的兼容性。
  • 开启AOF后，所有写入命令都包含追加操作，直接采用协议格式，避免了二次处理开销。
  • 文本协议具有可读性，方便直接修改和处理。

至于AOF把命令追加到aof_buf中，主要是由于以下两个原因：

  • Redis使用单线程响应命令，如果每次写AOF文件命令都直接追加到硬盘，那么性能完全取决于当前硬盘负 载。
  • 先写入缓冲区aof_buf中，还有另一个好处，Redis可以提供多种缓冲区同步硬盘的策略，在性能和安全性方面做出平衡。

# AOF触发持久化流程-文件同步

Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制。

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后调用系统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和fsync的区别：

  • 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。

各种配置值的优缺点：

可配置值 作用
always 配置为always时，每次写入都要同步AOF文件，在一般的SATA硬盘 上，Redis只能支持大约几百TPS写入，显然跟Redis高性能特性背道而驰， 不建议配置。
everysec 配置为everysec，是建议的同步策略，也是默认配置，做到兼顾性能和数据安全性。理论上只有在系统突然宕机的情况下丢失1秒的数据。
no 由于操作系统每次同步AOF文件的周期不可控，而且会加大每次同步硬盘的数据量，虽然提升了性能，但数据安全性无法保证。

# AOF触发持久化流程-文件重写

随着命令不断写入AOF，文件会越来越大，为了解决这个问题，Redis引入AOF重写机制压缩文件体积。AOF文件重写是把Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件的过程。

重写后的AOF文件将会变小，原因如下：

  • 进程内已经超时的数据不再写入文件。
  • 旧的AOF文件含有无效命令，如del key1、hdel key2、srem keys、set a111、set a222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。
  • 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。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等类型操作，以64个元素为界拆分为多条。

AOF重写降低了文件占用空间，除此之外，另一个目的是：更小的AOF文件可以更快地被Redis加载。

AOF重写过程可以分为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。

    自动触发AOF重写时机满足以下条件：

    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统计信息中查看。

# AOF触发持久化流程-重启加载

AOF和RDB文件都可以用于服务器重启时的数据恢复。

  1. AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件。

    * DB loaded from append only file: 5.841 seconds

  2. AOF关闭或者AOF文件不存在时，加载RDB文件。

    * DB loaded from disk: 5.586 seconds

  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。

    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。

    AOF文件可能存在结尾不完整的情况，比如机器突然掉电导致AOF尾部文件命令写入不全。Redis为我们提供了aof-load-truncated配置来兼容这种情况，默认开启。加载AOF时，当遇到此问题时会忽略并继续启动，同时打印如下警告日志：

    # !!! Warning: short read while loading the AOF file !!!
# !!! Truncating the AOF at offset 397856725 !!!
# AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled

# 本章内容总结

  1. Redis提供了两种持久化方式：RDB和AOF。

  2. RDB使用一次性生成内存快照的方式，产生的文件紧凑压缩比更高，因此读取RDB恢复速度更快。由于每次生成RDB开销较大，无法做到实时持久化，一般用于数据冷备和复制传输。

  3. save命令会阻塞主线程不建议使用，bgsave命令通过fork操作创建子进程生成RDB避免阻塞。

  4. AOF通过追加写命令到文件实现持久化，通过appendfsync参数可以控制实时/秒级持久化。因为需要不断追加写命令，所以AOF文件体积逐渐变大，需要定期执行重写操作来降低文件体积。

  5. AOF重写可以通过auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage参数控制自动触发，也可以使用bgrewriteaof命令手动触发。子进程执行期间使用copy-on-write机制与父进程共享内存，避免内 存消耗翻倍。AOF重写期间还需要维护重写缓冲区，保存新的写入命令避免数据丢失。

  6. 持久化阻塞主线程场景有：fork阻塞和AOF追加阻塞。fork阻塞时间跟内存量和系统有关，AOF追加阻塞说明硬盘资源紧张。

  7. 单机下部署多个实例时，为了防止出现多个子进程执行重写操作，建议做隔离控制，避免CPU和IO资源竞争。

LastUpdated: 3/11/2021, 7:31:36 PM

Redis复制配置与原理