01-Redis 持久化机制（重要）

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Redis 持久化机制 ★★★★★

Redis 是一个支持持久化的内存数据库，通过持久化机制把内存中的数据同步到硬盘文件来保证数据持久化。当 Redis 重启后通过把硬盘文件重新加载到内存，就能达到恢复数据的目的。

持久化数据大部分原因是为了之后重用数据（比如重启机器、机器故障之后恢复数据），或者是为了防止系统故障而将数据备份到一个远程位置。

Redis 有两种持久化机制：RDB 和 AOF

RDB（Redis DataBase）

RDB 是 Redis 默认的持久化方式。

实现过程：Redis 单独创建 fork() 一个子进程，将当前父进程的数据库数据复制到子进程的内存中，然后由子进程写入到临时文件中，持久化的过程结束之后，再用临时文件替换上次的快照文件，然后子进程退出并内存释放。

Redis 按照一定的时间周期策略把内存的数据以快照的形式保存到硬盘的二进制文件。即 Snapshot 快照存储，对应产生的数据文件为 dump.rdb，通过配置文件 redis.conf 中的 save 参数来定义快照的周期。如下

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save 900 1       # 在900秒(15分钟)之后，如果至少有1个key发生变化，Redis就会自动触发BGSAVE命令创建快照。
save 300 10      # 在300秒(5分钟)之后，如果至少有10个key发生变化，Redis就会自动触发BGSAVE命令创建快照。
save 60 100      # 在60秒(1分钟)之后，如果至少有100个key发生变化，Redis就会自动触发BGSAVE命令创建快照。

Redis 创建快照之后，可以对快照进行备份，可以将快照复制到其他服务器从而创建具有相同数据的服务器副本（Redis 主从结构，主要用来提高 Redis 性能），还可以将快照留在原地以便重启服务器的时候使用。

AOF（Append-only file）

实现过程: Redis 会将每一个收到的 会更改 Redis 中的数据的命令 都通过 Write 函数追加到文件最后，类似于 MySQL 的 binlog。当 Redis 重启时会通过重新执行文件中保存的写命令，来在内存中重建整个数据库。

Redis 默认不开启 AOF，可以通过 appendonly 参数开启：

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appendonly yes

AOF 文件的保存位置和 RDB 文件的位置相同，都是通过 dir 参数设置的，默认的文件名是 appendonly.aof。

在 Redis 的配置文件中存在三种不同的 AOF 持久化方式，它们分别是：

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appendfsync always    # 每次有数据修改发生时都会写入 AOF 文件,这样会严重降低 Redis 的速度
appendfsync everysec  # 每秒钟同步一次，显示地将多个写命令同步到硬盘
appendfsync no        # 让操作系统决定何时进行同步
  1. appendfsync always：主线程调用 write 执行写操作后，后台线程（aof_fsync 线程）立即会调用 fsync 函数同步 AOF 文件（刷盘），fsync 完成后线程返回，这样会严重降低 Redis 的性能（write + fsync）。
  2. appendfsync everysec：主线程调用 write 执行写操作后立即返回，由后台线程（aof_fsync 线程）每秒钟调用 fsync 函数（系统调用）同步一次 AOF 文件（write+fsync，fsync间隔为 1 秒）
  3. appendfsync no：主线程调用 write 执行写操作后立即返回，让操作系统决定何时进行同步，Linux 下一般为 30 秒一次（write 但不 fsync，fsync 的时机由操作系统决定）。

当 RDB 和 AOF 两种方式同时开启时，数据恢复时，Redis 会优先选择 AOF 恢复。

AOF 工作基本流程是怎样的？

AOF 持久化功能的实现可以简单分为 5 步：

  1. 命令追加（append）：所有的写命令会追加到 AOF 缓冲区中。
  2. 文件写入（write）：将 AOF 缓冲区的数据写入到 AOF 文件中。这一步需要调用 write 函数（系统调用），write 将数据写入到了系统内核缓冲区之后直接返回了（延迟写）。注意！！！此时并没有同步到磁盘。
  3. 文件同步（fsync）：AOF 缓冲区根据对应的持久化方式（fsync 策略）向硬盘做同步操作。这一步需要调用 fsync 函数（系统调用），fsync 针对单个文件操作，对其进行强制硬盘同步，fsync 将阻塞直到写入磁盘完成后返回，保证了数据持久化。
  4. 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。
  5. 重启加载（load）：当 Redis 重启时，可以加载 AOF 文件进行数据恢复。

Linux 系统直接提供了一些函数用于对文件和设备进行访问和控制，这些函数被称为 系统调用（syscall）。

这里对上面提到的一些 Linux 系统调用再做一遍解释：

  • write：写入系统内核缓冲区之后直接返回（仅仅是写到缓冲区），不会立即同步到硬盘。虽然提高了效率，但也带来了数据丢失的风险。同步硬盘操作通常依赖于系统调度机制，Linux 内核通常为 30s 同步一次，具体值取决于写出的数据量和 I/O 缓冲区的状态。
  • fsync：fsync用于强制刷新系统内核缓冲区（同步到到磁盘），确保写磁盘操作结束才会返回。

AOF 工作流程图如下：

AOF 工作基本流程

Multi Part AOF

从 Redis 7.0.0 开始，Redis 使用了 Multi Part AOF 机制。顾名思义，Multi Part AOF 就是将原来的单个 AOF 文件拆分成多个 AOF 文件。在 Multi Part AOF 中，AOF 文件被分为三种类型，分别为：

  • BASE：表示基础 AOF 文件，它一般由子进程通过重写产生，该文件最多只有一个。
  • INCR：表示增量 AOF 文件，它一般会在 AOFRW 开始执行时被创建，该文件可能存在多个。
  • HISTORY：表示历史 AOF 文件，它由 BASE 和 INCR AOF 变化而来，每次 AOFRW 成功完成时，本次 AOFRW 之前对应的 BASE 和 INCR AOF 都将变为 HISTORY，HISTORY 类型的 AOF 会被 Redis 自动删除。

Multi Part AOF 不是重点，了解即可，详细介绍可以看看阿里开发者的Redis 7.0 Multi Part AOF 的设计和实现 这篇文章。

相关 issue：Redis 的 AOF 方式 #783。

AOF 为什么是在执行完命令之后记录日志？

关系型数据库（如 MySQL）通常都是执行命令之前记录日志（方便故障恢复），而 Redis AOF 持久化机制是在执行完命令之后再记录日志。

AOF 记录日志过程

为什么是在执行完命令之后记录日志呢？

  • 避免额外的检查开销，AOF 记录日志不会对命令进行语法检查；
  • 在命令执行完之后再记录，不会阻塞当前的命令执行。

这样也带来了风险（我在前面介绍 AOF 持久化的时候也提到过）：

  • 如果刚执行完命令 Redis 就宕机会导致对应的修改丢失；
  • 可能会阻塞后续其他命令的执行（AOF 记录日志是在 Redis 主线程中进行的）。

补充：AOF 重写

当 AOF 变得太大时，Redis 能够在后台自动重写 AOF 产生一个新的 AOF 文件，这个新的 AOF 文件和原有的 AOF 文件所保存的数据库状态一样，但体积更小。

AOF 重写

AOF 重写是一个有歧义的名字，该功能是通过读取数据库中的键值对来实现的，程序无须对现有 AOF 文件进行任何读入、分析或者写入操作。

由于 AOF 重写会进行大量的写入操作，为了避免对 Redis 正常处理命令请求造成影响，Redis 将 AOF 重写程序放到子进程里执行。

AOF 文件重写期间，Redis 还会维护一个 AOF 重写缓冲区，该缓冲区会在子进程创建新 AOF 文件期间，记录服务器执行的所有写命令。当子进程完成创建新 AOF 文件的工作之后，服务器会将重写缓冲区中的所有内容追加到新 AOF 文件的末尾，使得新的 AOF 文件保存的数据库状态与现有的数据库状态一致。最后，服务器用新的 AOF 文件替换旧的 AOF 文件，以此来完成 AOF 文件重写操作。

开启 AOF 重写功能，可以调用 BGREWRITEAOF 命令手动执行，也可以设置下面两个配置项，让程序自动决定触发时机：

  • auto-aof-rewrite-min-size：如果 AOF 文件大小，小于该值，则不会触发 AOF 重写。默认值为 64 MB;
  • auto-aof-rewrite-percentage：执行 AOF 重写时，当前 AOF 大小（aof_current_size）和上一次重写时 AOF 大小（aof_base_size）的比值。如果当前 AOF 文件大小增加了这个百分比值，将触发 AOF 重写。将此值设置为 0 将禁用自动 AOF 重写。默认值为 100。

Redis 7.0 版本之前，如果在重写期间有写入命令，AOF 可能会使用大量内存，重写期间到达的所有写入命令都会写入磁盘两次。

Redis 7.0 版本之后，AOF 重写机制得到了优化改进。下面这段内容摘自阿里开发者的从 Redis7.0 发布看 Redis 的过去与未来 这篇文章。

AOF 重写期间的增量数据如何处理一直是个问题，在过去写期间的增量数据需要在内存中保留，写结束后再把这部分增量数据写入新的 AOF 文件中以保证数据完整性。可以看出来 AOF 写会额外消耗内存和磁盘 IO，这也是 Redis AOF 写的痛点，虽然之前也进行过多次改进但是资源消耗的本质问题一直没有解决。

阿里云的 Redis 企业版在最初也遇到了这个问题，在内部经过多次迭代开发，实现了 Multi-part AOF 机制来解决，同时也贡献给了社区并随此次 7.0 发布。具体方法是采用 base（全量数据）+inc（增量数据）独立文件存储的方式，彻底解决内存和 IO 资源的浪费，同时也支持对历史 AOF 文件的保存管理，结合 AOF 文件中的时间信息还可以实现 PITR 按时间点恢复（阿里云企业版 Tair 已支持），这进一步增强了 Redis 的数据可靠性，满足用户数据回档等需求。

相关 issue：Redis AOF 重写描述不准确 #1439。

AOF 校验机制了解吗？

AOF 校验机制是 Redis 在启动时对 AOF 文件进行检查，以判断文件是否完整，是否有损坏或者丢失的数据。这个机制的原理其实非常简单，就是通过使用一种叫做 校验和（checksum） 的数字来验证 AOF 文件。这个校验和是通过对整个 AOF 文件内容进行 CRC64 算法计算得出的数字。如果文件内容发生了变化，那么校验和也会随之改变。因此，Redis 在启动时会比较计算出的校验和与文件末尾保存的校验和（计算的时候会把最后一行保存校验和的内容给忽略点），从而判断 AOF 文件是否完整。如果发现文件有问题，Redis 就会拒绝启动并提供相应的错误信息。AOF 校验机制十分简单有效，可以提高 Redis 数据的可靠性。

类似地，RDB 文件也有类似的校验机制来保证 RDB 文件的正确性，这里就不重复进行介绍了。

Redis 4.0 对于持久化机制的优化

Redis 4.0 开始支持 RDB 和 AOF 的混合持久化（默认关闭，可以通过配置项 aof-use-rdb-preamble 开启）。

如果把混合持久化打开，AOF重写 的时候就直接把 RDB 的内容写到 AOF 文件开头。这样做的好处是可以结合 RDB 和 AOF 的优点, 快速加载同时避免丢失过多的数据。

当然缺点也是有的，AOF 里面的 RDB 部分是压缩格式不再是 AOF 格式，可读性较差。

官方文档地址：https://redis.io/topics/persistence

RDB 和 AOF 的区别

  • RDB 持久化是每隔指定的时间间隔之后将内存中的数据集快照写入磁盘，实际操作过程是 fork()一个子进程，先将数据集写入临时文件，写入成功后，再替换之前的文件，用二进制压缩存储。
  • AOF 持久化是以日志的形式记录服务器所处理的每一个写、删除操作，查询操作不会记录，以文本的方式记录，可以打开文件看到详细的操作记录。

二者优缺点

RDB 优势：

  1. 整个 Redis 将只包含一个文件，这对于文件备份而言是非常完美的。比如，你可能打算每个小时归档一次最近24小时的数据，同时还要每天归档一次最近30天的数据。
  2. RDB 文件存储的内容是经过压缩的二进制数据，保存着某个时间点的数据集，文件很小，适合做数据的备份，灾难恢复。
  3. 性能最大化。对于 Redis 的服务进程而言，在开始持久化时，它唯一需要做的只是 fork 出子进程，之后再由子进程完成这些持久化的工作，这样可以极大的避免服务进程执行 IO 操作。
  4. 使用 RDB 文件恢复数据，直接解析还原数据即可，不需要一条一条地执行命令，速度非常快。而 AOF 则需要依次执行每个写命令，速度非常慢。也就是说，与 AOF 相比，恢复大数据集的时候，RDB 速度更快。。

RDB 劣势：

  1. 如果你想保证数据的高可用性，即最大限度的避免数据丢失，那么 RDB 不是一个很好的选择。因为系统一旦在定时持久化之前出现宕机现象，那么没来得及写入磁盘的数据都将丢失。
  2. RDB 是通过 fork() 子进程来协助完成数据持久化工作的，因此当数据集较大时，可能会导致整个服务器停止服务几百毫秒，甚至是1秒钟。

AOF 优势：

  1. AOF 可以带来更高的数据安全性，即数据持久性。Redis 提供了3 种同步策略：每秒同步、每修改同步和不同步。事实上，每秒同步也是异步完成的，其效率也是非常高的，所差的是一旦系统出现宕机现象，那么这一秒钟之内修改的数据将会丢失。而每修改同步，我们可以将其视为同步持久化，即每次发生的数据变化都会被立即记录到磁盘中。可以预见，这种方式在效率上是最低的。
  2. AOF 对日志文件的写入操作采用的是 append 模式，因此在写入过程中即使出现宕机现象，也不会破坏日志文件中已经存在的内容。然而如果我们本次操作只是写入了一半数据就出现了系统崩溃问题，不用担心，在 Redis 下一次启动之前，我们可以通过 redis-check-aof 工具来帮助我们解决数据一致性的问题。
  3. 如果日志过大，Redis 可以自动启用重写机制。
  4. AOF 包含一个格式清晰、易于理解的日志文件用于记录所有的修改操作。事实上，我们也可以通过该文件完成数据的重建。

AOF 劣势：

  1. 对于相同数量的数据集而言，AOF 文件通常要大于 RDB 文件。RDB 在恢复大数据集时的速度比 AOF 的恢复速度要快。
  2. 根据同步策略的不同，AOF 在运行效率上往往会慢于 RDB。总之，每秒同步策略的效率是比较高的，同步禁用策略的效率和 RDB 一样高效。

综上：

  • Redis 保存的数据丢失一些也没什么影响的话，可以选择使用 RDB。
  • 不建议单独使用 AOF，因为时不时地创建一个 RDB 快照可以进行数据库备份、更快的重启以及解决 AOF 引擎错误。
  • 如果保存的数据要求安全性比较高的话，建议同时开启 RDB 和 AOF 持久化或者开启 RDB 和 AOF 混合持久化。

如何选择合适的持久化方式

如果想达到足以媲美 PostgreSQL 的数据安全性，你应该同时使用两种持久化功能。在这种情况下，当 Redis 重启的时候会优先载入 AOF 文件来恢复原始的数据，因为在通常情况下 AOF 文件保存的数据集要比 RDB 文件保存的数据集要完整。

如果非常关心你的数据，但仍然可以承受数分钟以内的数据丢失，那么你可以只使用 RDB 持久化。

有很多用户都只使用 AOF 持久化，但并不推荐这种方式，因为定时生成 RDB 快照非常便于进行数据库备份，并且 RDB 恢复数据集的速度也要比 AOF 恢复的速度要快，除此之外，使用 RDB 还可以避免 AOF 程序的 bug。

如果你只希望你的数据在服务器运行的时候存在，你也可以不使用任何持久化方式。

RDB 创建快照时会阻塞主线程吗？

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 快照文件：

  • save: 同步保存操作，会阻塞 Redis 主线程；
  • bgsave: fork 出一个子进程，子进程执行，不会阻塞 Redis 主线程，默认选项。

这里说 Redis 主线程而不是主进程的主要是因为 Redis 启动之后主要是通过单线程的方式完成主要的工作。如果你想将其描述为 Redis 主进程，也没毛病。

#面试 #Redis
01-Redis 持久化机制（重要）
https://flepeng.github.io/interview-41-数据库-41-Redis-01-Redis-持久化机制（重要）/
作者
Lepeng
发布于
2020年8月8日
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