学习Redis持久化

        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。理解掌握持久化机制对于Redis运维非常重要。

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    首先介绍RDB、AOF的配置和运行流程，以及控制持久化的相关命令，如bgsave和bgrewriteaof。

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：

1283:M 04 Apr 21:39:03.035 * 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：

1283:M 04 Apr 21:40:33.849 * Background saving started by pid 1429
1429:C 04 Apr 21:40:33.874 * DB saved on disk
1429:C 04 Apr 21:40:33.875 * RDB: 6 MB of memory used by copy-on-write
1283:M 04 Apr 21:40:33.929 * Background saving terminated with success

显然bgsave命令是针对save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。

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：

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。

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持久化功能则自动执行bgsave。

                注：如果想关闭自动RDB持久化，在配置文件删除"save m n"的配置

流程说明

bgsave是主流的触发RDB持久化方式，下面根据下图了解它的运作流程。

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ork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，完成对原有文件执行原子替换。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会保存到新目录。

当遇到坏盘或磁盘写满等待情况时，可以通过config set dir {newDir}在线修改文件路径到可用的磁盘路径，之后执行bgsave进行bgsave进程磁盘切换，同样适用于AOF持久化文件。

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config set rdbcompression {yes|no}动态修改。

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：

2740:M 04 Apr 22:06:42.835 # Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now.
2740:M 04 Apr 22:06:42.835 # Internal error in RDB reading function at rdb.c:1666 -> Unexpected EOF reading RDB file

可以使用Redis提供的redis-check-rdb工具检测RDB文件并获取对应用的错误报告。

[redis@rhel7 ~]$ redis-check-rdb dump.rdb 
[offset 0] Checking RDB file dump.rdb
[offset 27] AUX FIELD redis-ver = '4.0.13'
[offset 41] AUX FIELD redis-bits = '64'
[offset 53] AUX FIELD ctime = '1554386780'
[offset 68] AUX FIELD used-mem = '570072'
[offset 84] AUX FIELD aof-preamble = '0'
[offset 86] Selecting DB ID 0
--- RDB ERROR DETECTED ---
[offset 109] Invalid object type: 209
[additional info] While doing: read-type
[info] 2 keys read
[info] 0 expires
[info] 0 already expired

RDB的优缺点

优点：RDB是一个紧凑压缩的二进程文件，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。比如第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。Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。

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文件使用特定二进程格式保存，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不短途实时持久化的问题，Redis提供了AOF持久化方式来解决。

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。理解掌握好AOF持久化机制对我们兼顾数据安全性和性能非常有帮助。

使用AOF

开启AOF功能需要设置参数:appendonly yes，默认不开启。AOF文件名通过appendfilename参数设置，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)，如下图：

流程如下：

1)所有的写入命令会追加到aof_buf(缓冲区)中。

2)AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。

3)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)当Redis服务器重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复。

了解AOF工作流程之后，下面针对每个步骤做详细介绍。

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
$3
set
$5
hello
$5
world

关于AOF的两个疑惑：

1)AOF为什么直接采用文本协议格式？可能的理由如下：

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。

2)AOF为什么把命令追加到aof_buf中？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。

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，不同的含义如下：

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说明：

write操作会触发延迟写(delayed write)机制。Linux在内核操作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。

除了write、fsync、Linux还提供了sync、fdatasync操作。

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。

配置为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。

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。(严格来说最多丢失1it数据是不准确的)。

重写机制

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文件为什么可以变小？有如下原因：

1)进程内已经超时的数据不再写入文件

2)旧的AOF文件含有有效命令，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。

3)多条写命令可以合并为一下，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文件可以更快被Redis加载。

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64M。

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(aof_base_size)的比值。

自动触发时间=aof_current_size>auto-aof-rewrite-min-size && (aof_current_size-aof_base_size)/aof_base_size>=auto-aof-rewrite-percentage

其中aof_current_size和aof_base_size可以在info Persistence统计信息中查看。

        自动触发AOF重写，会输出如下日志：

18827:M 04 Apr 23:30:49.519 * Starting automatic rewriting of AOF on 1054% growth
18827:M 04 Apr 23:30:49.520 * Background append only file rewriting started by pid 21365
18827:M 04 Apr 23:30:50.617 * AOF rewrite child asks to stop sending diffs.
21365:C 04 Apr 23:30:50.618 * Parent agreed to stop sending diffs. Finalizing AOF...
21365:C 04 Apr 23:30:50.618 * Concatenating 0.03 MB of AOF diff received from parent.
21365:C 04 Apr 23:30:50.631 * SYNC append only file rewrite performed
21365:C 04 Apr 23:30:50.632 * AOF rewrite: 7 MB of memory used by copy-on-write
18827:M 04 Apr 23:30:50.641 * Background AOF rewrite terminated with success
18827:M 04 Apr 23:30:50.641 * Residual parent diff successfully flushed to the rewritten AOF (0.00 MB)
18827:M 04 Apr 23:30:50.641 * Background AOF rewrite finished successfully

当触发AOF重写时，内存做了哪些事呢？结合下图介绍运行流程

流程说明：

1)执行AOF重写请示

如果当前进程正在执行AOF重写，请求不执行并返回如下响应：

(error) ERR Background append only file rewriting already in progress

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，返回如下响应：

Background append only file rewriting scheduled

2) 父进程进程fork创建子进程，开销等同于bgsave过程。

3.1) 主进程fork操作完成后，继续响应其他命令。所有修改命令依然写入AOF缓冲区并根据appendfsync策略同步到硬盘，保证原有AOF机制正确性。

3.2)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。

4)子进程根据内存快照，执照命令合并规则写入到新的AOF文件。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。

5.1)新AOF文件写入完成后，子进程发送信号给父进程，父进程更新统计信息，具体见info persistence下的aof_*相关统计。

5.2)父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件。

5.3)使用新AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

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。如下图所示，表示Redis持久化文件加载流程。

流程说明：

1)AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件，打印如下日志

18827:M 04 Apr 23:21:01.257 * DB loaded from append only file: 1.207 seconds

2)AOF关闭或AOF文件不存在时，加载RDB文件，打印如下日志：

7792:M 01 Apr 22:33:58.418 * DB loaded from disk: 0.003 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，Redistribute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 

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：

27752:M 04 Apr 23:47:34.655 # !!! Warning: short read while loading the AOF file !!!
27752:M 04 Apr 23:47:34.655 # !!! Truncating the AOF at offset 1377811 !!!
27752:M 04 Apr 23:47:34.655 # AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled

博文内容摘自《Redis开发与运维》一书。