2. redis集群持久化
- 一、 总体介绍
- 二、 RDB（Redis DataBase）
- 2.1.手动触发：
- 2.2.自动触发
- 2.3 触发流程
- 2.4 文件处理
- 2.5 优缺点
- 三、 AOF（Append Only File）
- 3.1 流程说明
- 3.2 命令写入
- 3.3 文件同步
- 3.4 重写机制（重点）
- 3.5 触发机制
- 3.7 优缺点
- 四、 总结(Which one)
- 4.1 重启加载
- 4.2 总结回顾
- 五、参考文献
一、 总体介绍
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。
二、 RDB（Redis DataBase）
RDB持久化是把当前进程数据生成快照保存到硬盘的过程，也就是行话讲的Snapshot快照，它恢复时是将快照文件直接读到内存里触发RDB持久化过程分为手动触发和自动触发。
2.1.手动触发：
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。
2.2.自动触发
Redi发RD除了执行命令手动触发之外内部还存在自动触B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，更多细节见6.3节介绍的复制原理。
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。
2.3 触发流程
fig 2-1 bgsave命令的运作流程
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，具体见info Persistence下的rdb_*相关选项。
PS：fork的作用是复制一个与当前进程一样的进程。新进程的所有数据（变量、环境变量、程序计数器等）数值都和原进程一致，但是是一个全新的进程，并作为原进程的子进程。
2.4 文件处理
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。也可以通郭命令config set dir和config get dbfilename分别获取RDB文件的目录和文件名。
恢复方式：
将备份文件 (dump.rdb) 移动到 redis 安装目录并启动服务即可。
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，可以通过参数config setrdbcompression{yes|no}动态修改。
PS: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。
文件校验
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。
2.5 优缺点
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。
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。
3）对RDB不适合实时持久化的问题，提供了AOF持久化方式来解决。
三、 AOF（Append Only File）
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。
Aof保存的是appendonly.aof文件（默认名），位置同RDB文件位置。
AOF持久化方式默认关闭，可以通过配置文件中appendonly no中将no改为yes。
3.1 流程说明
fig 3-1 AOF工作流程
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。
3.2 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
PS:Redis协议格式具体说明见客户端部分通信协议部分的介绍。
这里有两点问题需要思考：
1. AOF为什么直接采用文本协议格式？
1）文本协议具有很好的兼容性。
2）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。
3）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。
3.3 文件同步
1. Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制（一般配置everysec，具体原因见如下解释），不同值的含义如表3-1所示。
表3-1 AOF缓冲区同步文件策略
·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1秒数据是不准确的，复制部分会做详细介绍。）
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。
3.4 重写机制（重点）
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？
1）进程内已经超时的数据不再写入文件。
2）旧的AOF文件含有无效命令，如del key1、hdel key2、srem keys、seta111、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个，如：lpush list a、lpush list b、lpush listc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。
3.5 触发机制
1.手动触发：直接调用bgrewriteaof命令。
2.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）的增长百分比，值为0则表示禁用自动rewrite。
自动触条件
3.7 优缺点
优点：
支持多种同步策略，可以解决数据持久化的实时性。
缺点：
1）相同数据集的数据而言aof文件要远大于rdb文件，恢复速度慢于rdb。
2）aof运行效率要慢于rdb,每秒同步策略效率较好，不同步效率和rdb相同。
3.8 单机多节点部署
Redis 单线程架构导致无法充分利用多核 CPU 特性，所以可以在一台机器上部署多个 Redis 实例。但是当多个实例同时开启 AOF 重写后，彼此之间会产生对 CPU 和 IO 的竞争，所以可以通过外部程序轮询，依此控制每个实例的 AOF 重写操作执行（目前我司就是通过调度系统定时轮询执行）。
四、 总结(Which one)
4.1 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。如图4-1所示，表示Redis持久化文件加载流程。
fig4-1 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：
* 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，打印如下日志：
* 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。
4.2 总结回顾
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-rewritepercentage参数控制自动触发，也可以使用bgrewriteaof命令手动触发。
6）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。
7）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。
8）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。
五、参考文献
1.《Redis开发与运维》，付磊，张益军编著。
