深入理解Redis的持久化

RDB

RDB是将当前数据生成快照保存到硬盘上。

 

RDB的工作流程：

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操作过程中父进程被阻塞。

3. 父进程fork完成后，bgsave命令返回“* Background saving started by pid xxx”信息，并不再阻塞父进程，可以继续响应其他命令。

4. 父进程创建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。根据lastsave命令可以获取最近一次生成RDB的时间，对应info Persistence中的rdb_last_save_time。

5. 进程发送信号给父进程表示完胜，父进程更新统计信息。

 

对于大多数操作系统来说，fork都是个重量级操作，虽然创建的子进程不需要拷贝父进程的物理内存空间，但是会复制父进程的空间内存页表。

子进程通过fork操作产生，占用内存大小等同于父进程，理论上需要两倍的内存来完成持久化操作，但Linux有写时复制机制（copy-on-write）。父子进程会共享相同的物理内存页，当父进程处理写请求时会把要修改的页创建副本，而子进程在fork操作过程中会共享父进程的内存快照。

 

触发机制：

1. 手动触发

   包括save和bgsave命令。

    因为save会阻塞当前Redis节点，所以，Redis内部所有涉及RDB持久化的的操作都通过bgsave方式，save方式已废弃。

2. 自动触发

    1> 使用save的相关配置。

    2> 从节点执行全量复制操作。

    3> 执行debug reload命令。

    4> 执行shutdown命令时，如果没有开启AOF持久化功能则会自动执行bgsave。

 

RDB的优缺点：

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，适合备份，全量复制等场景。

2. 加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。

缺点：

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的相关参数

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

stop-writes-on-bgsave-error yes

rdbcompression yes

rdbchecksum yes

dbfilename dump.rdb

dir ./

 

其中，前三个参数的含义是，

#   after 900 sec (15 min) if at least 1 key changed
#   after 300 sec (5 min) if at least 10 keys changed
#   after 60 sec if at least 10000 keys changed

 

如果要禁用RDB的自动触发，可注销这三个参数，或者设置save ""。

stop-writes-on-bgsave-error：在开启RDB且最近一次bgsave执行失败的情况下，如果该参数为yes，则Redis会阻止客户端的写入，直到bgsave执行成功。

rdbcompression：使用LZF算法压缩字符对象。

rdbchecksum：从RDB V5开始，在保存RDB文件时，会在文件末尾添加CRC64校验和，这样，能较容易的判断文件是否被损坏。但同时，对于带有校验和的RDB文件的保存和加载，会有10%的性能损耗。

dbfilename： RDB文件名。

dir：RDB文件保存的目录。

 

RDB的相关变量

127.0.0.1:6379> info Persistence
# Persistence
loading:0
rdb_changes_since_last_save:0
rdb_bgsave_in_progress:0
rdb_last_save_time:1538447605
rdb_last_bgsave_status:ok
rdb_last_bgsave_time_sec:0
rdb_current_bgsave_time_sec:-1
rdb_last_cow_size:155648

其含义如下：

loading: Flag indicating if the load of a dump file is on-going。是否在加载RDB文件

rdb_changes_since_last_save: Number of changes since the last dump。

rdb_bgsave_in_progress: Flag indicating a RDB save is on-going。是否在执行bgsave操作。

rdb_last_save_time: Epoch-based timestamp of last successful RDB save。最近一次bgsave操作时的时间戳。

rdb_last_bgsave_status: Status of the last RDB save operation。最近一次bgsave是否执行成功。

rdb_last_bgsave_time_sec: Duration of the last RDB save operation in seconds。最近一次bgsave操作花费的时间。

rdb_current_bgsave_time_sec: Duration of the on-going RDB save operation if any。当前bgsave操作已经执行的时间。

rdb_last_cow_size: The size in bytes of copy-on-write allocations during the last RBD save operation。COW的大小。指的是父进程与子进程相比执行了多少修改，包括读取缓冲区，写入缓冲区，数据修改等。

 

AOF

与RDB不一样的是，AOF记录的是命令，而不是数据。需要注意的是，其保存的是Redis Protocol，而不是直接的Redis命令。但是以文本格式保存。

 

如何开启AOF

只需将appendonly设置为yes就行。

 

AOF的工作流程：

1. 所有的写入命令追加到aof_buf缓冲区中。

2. AOF会根据对应的策略向磁盘做同步操作。刷盘策略由appendfsync参数决定。

3. 定期对AOF文件进行重写。重写策略由auto-aof-rewrite-percentage，auto-aof-rewrite-min-size两个参数决定。

 

appendfsync参数有如下取值：

no: don't fsync, just let the OS flush the data when it wants. Faster. 只调用系统write操作，不对AOF文件做fsync操作，同步硬盘操作由操作系统负责，通常同步周期最长为30s。

always: fsync after every write to the append only log. Slow, Safest. 命令写入到aof_buf后，会调用系统fsync操作同步到文件中。

everysec: fsync only one time every second. Compromise. 只调用系统write操作，fsync同步文件操作由专门进程每秒调用一次。

默认值为everysec，也是建议值。

 

重写机制

为什么要重写？重写后可以加快节点启动时的加载时间。

重写后的文件为什么可以变小？

1. 进程内超时的数据不用再写入到AOF文件中。

2. 存在删除命令。

3. 多条写命令可以合并为一个。

 

重写条件：

1. 手动触发

     直接调用bgrewriteaof命令。

2. 自动触发。

    与auto-aof-rewrite-percentage，auto-aof-rewrite-min-size两个参数有关。

    触发条件，aof_current_size > auto-aof-rewrite-min-size 并且 (aof_current_size  - aof_base_size) / aof_base_size >= auto-aof-rewrite-percentage。

    其中，aof_current_size是当前AOF文件大小，aof_base_size 是上一次重写后AOF文件的大小，这两部分的信息可从info Persistence处获取。

 

AOF重写的流程。

1. 执行AOF重写请求。

    如果当前进程正在执行bgsave操作，重写命令会等待bgsave执行完后再执行。

2. 父进程执行fork创建子进程。

3. fork操作完成后，主进程会继续响应其它命令。所有修改命令依然会写入到aof_buf中，并根据appendfsync策略持久化到AOF文件中。

4. 因fork操作运用的是写时复制技术，所以子进程只能共享fork操作时的内存数据，对于fork操作后，生成的数据，主进程会单独开辟一块aof_rewrite_buf保存。

5. 子进程根据内存快照，按照命令合并规则写入到新的AOF文件中。每次批量写入磁盘的数据量由aof-rewrite-incremental-fsync参数控制，默认为32M，避免单次刷盘数据过多造成硬盘阻塞。

6. 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。

7. 父进程将aof_rewrite_buf（AOF重写缓冲区）的数据写入到新的AOF文件中。

8. 使用新AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

实际上，当Redis节点执行完一个命令后，它会同时将这个写命令发送到AOF缓冲区和AOF重写缓冲区。

 

Redis通过AOF文件还原数据库的流程。

1.  创建一个不带网络连接的伪客户端。因为Redis的命令只能在客户端上下文中执行。

2. 从AOF文件中分析并读取一条命令。

3. 使用伪客户端执行该命令。

4. 反复执行步骤2,3，直到AOF文件中的所有命令都被处理完。 

 

注意：AOF的持久化也可能会造成阻塞。

AOF常用的持久化策略是everysec，在这种策略下，fsync同步文件操作由专门线程每秒调用一次。当系统磁盘较忙时，会造成Redis主线程阻塞。

1. 主线程负责写入AOF缓冲区。

2. AOF线程负责每秒执行一次同步磁盘操作，并记录最近一次同步时间。

3. 主线程负责对比上次AOF同步时间。

   1> 如果距上次同步成功时间在2s内，主线程直接返回。

   2> 如果距上次同步成功时间超过2s，主线程会阻塞，直到同步操作完成。每出现一次阻塞，info Persistence中aof_delayed_fsync的值都会加1。

所以，使用everysec策略最多会丢失2s数据，而不是1s。

 

AOF的相关变量

127.0.0.1:6379> info Persistence
# Persistence
...
aof_enabled:1
aof_rewrite_in_progress:0
aof_rewrite_scheduled:0
aof_last_rewrite_time_sec:-1
aof_current_rewrite_time_sec:-1
aof_last_bgrewrite_status:ok
aof_last_write_status:ok
aof_last_cow_size:0
aof_current_size:19276803
aof_base_size:19276803
aof_pending_rewrite:0
aof_buffer_length:0
aof_rewrite_buffer_length:0
aof_pending_bio_fsync:0
aof_delayed_fsync:0

其含义如下，

aof_enabled: Flag indicating AOF logging is activated. 是否开启AOF

aof_rewrite_in_progress: Flag indicating a AOF rewrite operation is on-going. 是否在进行AOF的重写操作。

aof_rewrite_scheduled: Flag indicating an AOF rewrite operation will be scheduled once the on-going RDB save is complete. 是否有AOF操作等待执行。

aof_last_rewrite_time_sec: Duration of the last AOF rewrite operation in seconds. 最近一次AOF重写操作消耗的时间。

aof_current_rewrite_time_sec: Duration of the on-going AOF rewrite operation if any. 当前正在执行的AOF操作已经消耗的时间。

aof_last_bgrewrite_status: Status of the last AOF rewrite operation. 最近一次AOF重写操作是否执行成功。

aof_last_write_status: Status of the last write operation to the AOF. 最近一次追加操作是否执行成功。

aof_last_cow_size: The size in bytes of copy-on-write allocations during the last AOF rewrite operation. 在执行AOF重写期间，分配给COW的大小。

 

如果开启了AOF，还会增加以下变量

aof_current_size: AOF current file size. AOF的当前大小。

aof_base_size: AOF file size on latest startup or rewrite. 最近一次重写后AOF的大小。

aof_pending_rewrite: Flag indicating an AOF rewrite operation will be scheduled once the on-going RDB save is complete.是否有AOF操作在等待执行。

aof_buffer_length: Size of the AOF buffer. AOF buffer的大小

aof_rewrite_buffer_length: Size of the AOF rewrite buffer. AOF重写buffer的大小。

aof_pending_bio_fsync: Number of fsync pending jobs in background I/O queue. 在等待执行的fsync操作的数量。

aof_delayed_fsync: Delayed fsync counter. Fsync操作延迟执行的次数。

如果一个load操作在进行，还会增加以下变量
loading_start_time: Epoch-based timestamp of the start of the load operation. Load操作开始的时间。

loading_total_bytes: Total file size. 文件的大小。

loading_loaded_bytes: Number of bytes already loaded.已经加载的文件的大小。

loading_loaded_perc: Same value expressed as a percentage. 已经加载的比例。

loading_eta_seconds: ETA in seconds for the load to be complete. 预计多久加载完毕。

 

AOF的相关参数

appendonly yes
appendfilename "appendonly.aof"

appendfsync everysec

no-appendfsync-on-rewrite no

auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

aof-load-truncated yes

aof-use-rdb-preamble no

其中，

no-appendfsync-on-rewrite：在执行bgsave或bgrewriteaof操作时，不调用fsync()操作，此时，Redis的持久化策略相当于"appendfsync none"。

aof-load-truncated：在Redis节点启动的时候，如果发现AOF文件已经损坏了，其处理逻辑与该参数的设置有关，若为yes，则会忽略掉错误，尽可能加载较多的数据，若为no，则会直接报错退出。默认为yes。需要注意的是，该参数只适用于Redis启动阶段，如果在Redis运行过程中，发现AOF文件corrupted，Redis会直接报错退出。

aof-use-rdb-preamble：是否启用Redis 4.x提供的AOF+RDB的混合持久化方案，若为yes，在重写AOF文件时，Redis会将数据以RDB的格式作为AOF文件的开始部分。在重写之后，Redis会继续以AOF格式持久化写入操作。默认值为no。

 

参考：

1. 《Redis开发与运维》

2. 《Redis设计与实现》

3. 《Redis 4.X Cookbook》