Redis06-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。
1、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。
1.1、触发机制
- 手动触发分别对应save和bgsave命令:
- save命令:(已废弃)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。
- 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。
- bgsave命令对save阻塞问题做了优化。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。
//运行save命令对应的Redis日志如下: * DB saved on disk //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
- 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。
1.2、流程说明
- bgsave是主流的触发RDB持久化方式,下面根据图5-1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。
1.3、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}进行动态修改,当下次运行时RDB文件会保存到新目录。
- 当遇到坏盘或磁盘写满等情况时,可以通过config set dir {newDir}修改文件路径到可用的磁盘路径,之后执行bgsave进行磁盘切换,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,可以通过参数config set rdbcompression {yes|no}进行动态修改。
- 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:
# 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。
1.4、RDB的优缺点
- RDB的优点:
- 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。
- Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。
- RDB的缺点:
- 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。
2、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。
2.1、使用AOF
- 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),如图5-2所示。
- (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。
2.2、详解AOF工作流程
2.2.1、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为什么直接采用文本协议格式?
- 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。
- 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。
2.2.2、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,不同值的含义如表5-1所示。
- 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。
- 除了write、fsync,Linux还提供了sync、fdatasync操作,具体API说明参见:http://linux.die.net/man/2/write,http://linux.die.net/man/2/fsync,http://linux.die.net/man/
- 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)
2.2.3、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?
- (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、set a111、set a222等。重写是使用进程内的数据直接生成,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 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。
- 自动触发时机= 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。
- 当触发AOF重写时,内部做了哪些事呢?下面结合图5-3介绍它的运行流程。
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- (1)执行AOF重写请求。
//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 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
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- (2)父进程执行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,按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。
2.3、重启加载AOF和RDB文件
2.3.1、重启加载流程
- AOF和RDB文件都可以用于服务器重启时的数据恢复。如图5-4所示,表示Redis持久化文件加载流程。
- (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。
2.3.2、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 <filename>
- 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
- 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。
3、问题定位与优化
3.1、fork操作
- 当Redis做RDB或AOF重写时,一个必不可少的操作就是执行fork操作创建子进程,对于大多数操作系统来说fork是个重量级错误。虽然fork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。例如对于10GB的Redis进程,需要复制大约20MB的内存页表,因此fork操作耗时跟进程总内存量息息相关,如果使用虚拟化技术,特别是Xen虚拟机,fork操作会更耗时。
- fork耗时问题定位:对于高流量的Redis实例OPS可达5万以上,如果fork操作耗时在秒级别将拖慢Redis几万条命令执行,对线上应用延迟影响非常明显。正常情况下fork耗时应该是每GB消耗20毫秒左右。可以在info stats统计中查latest_fork_usec指标获取最近一次fork操作耗时,单位微秒。
- 如何改善fork操作的耗时:
- (1)优先使用物理机或者高效支持fork操作的虚拟化技术,避免使用Xen。
- (2)控制Redis实例最大可用内存,fork耗时跟内存量成正比,线上建议每个Redis实例内存控制在10GB以内。
- (3)合理配置Linux内存分配策略,避免物理内存不足导致fork失败。
- (4)降低fork操作的频率,如适度放宽AOF自动触发时机,避免不必要的全量复制等。
3.2、子进程开销监控和优化
- 子进程负责AOF或者RDB文件的重写,它的运行过程主要涉及CPU、内存、硬盘三部分的消耗。
1、CPU
- CPU开销分析。子进程负责把进程内的数据分批写入文件,这个过程属于CPU密集操作,通常子进程对单核CPU利用率接近90%。
- CPU消耗优化。Redis是CPU密集型服务,不要做绑定单核CPU操作。由于子进程非常消耗CPU,会和父进程产生单核资源竞争。
- 不要和其他CPU密集型服务部署在一起,造成CPU过度竞争。
- 如果部署多个Redis实例,尽量保证同一时刻只有一个子进程执行重写工作。
2、内存
- 内存消耗分析。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操作过程中共享整个父进程内存快照。
- 内存消耗监控。RDB重写时,Redis日志输出容如下:
* Background saving started by pid 7692 * DB saved on disk * RDB: 5 MB of memory used by copy-on-write * Background saving terminated with success
- 如果重写过程中存在内存修改操作,父进程负责创建所修改内存页的副本,从日志中可以看出这部分内存消耗了5MB,可以等价认为RDB重写消耗了5MB的内存。
- AOF重写时,Redis日志输出容如下:
* Background append only file rewriting started by pid 8937 * AOF rewrite child asks to stop sending diffs. * Parent agreed to stop sending diffs. Finalizing AOF... * Concatenating 0.00 MB of AOF diff received from parent. * SYNC append only file rewrite performed * AOF rewrite: 53 MB of memory used by copy-on-write * Background AOF rewrite terminated with success * Residual parent diff successfully flushed to the rewritten AOF (1.49 MB) * Background AOF rewrite finished successfully
- 父进程维护页副本消耗同RDB重写过程类似,不同之处在于AOF重写需要AOF重写缓冲区,因此根据以上日志可以预估内存消耗为:53MB+1.49MB,也就是AOF重写时子进程消耗的内存量。
- 内存消耗优化:
- (1)同CPU优化一样,如果部署多个Redis实例,尽量保证同一时刻只有一个子进程在工作。
- (2)避免在大量写入时做子进程重写操作,这样将导致父进程维护大量页副本,造成内存消耗。
- Linux kernel在2.6.38内核增加了Transparent Huge Pages(THP),支持huge page(2MB)的页分配,默认开启。当开启时可以降低fork创建子进程的速度,但执行fork之后,如果开启THP,复制页单位从原来4KB变为2MB,会大幅增加重写期间父进程内存消耗。建议设置“sudo echo never>/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled”关闭THP。
3、硬盘
- 硬盘开销分析。子进程主要职责是把AOF或者RDB文件写入硬盘持久化。势必造成硬盘写入压力。根据Redis重写AOF/RDB的数据量,结合系统工具如sar、iostat、iotop等,可分析出重写期间硬盘负载情况。
- 硬盘开销优化。优化方法如下:
- (1)不要和其他高硬盘负载的服务部署在一起。如:存储服务、消息队列服务等。
- (2)AOF重写时会消耗大量硬盘IO,可以开启配置no-appendfsync-on-rewrite,默认关闭。表示在AOF重写期间不做fsync操作。
- (3)当开启AOF功能的Redis用于高流量写入场景时,如果使用普通机械磁盘,写入吞吐一般在100MB/s左右,这时Redis实例的瓶颈主要在AOF同步硬盘上。
- (4)对于单机配置多个Redis实例的情况,可以配置不同实例分盘存储AOF文件,分摊硬盘写入压力。
- 注意,配置no-appendfsync-on-rewrite=yes时,在极端情况下可能丢失整个AOF重写期间的数据,需要根据数据安全性决定是否配置。
3.3、AOF追加阻塞
- 当开启AOF持久化时,常用的同步硬盘的策略是everysec,用于平衡性能和数据安全性。对于这种方式,Redis使用另一条线程每秒执行fsync同步硬盘。当系统硬盘资源繁忙时,会造成Redis主线程阻塞,如图5-5所示。
- 阻塞流程分析:
- (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:
- 如果距上次同步成功时间在2秒内,主线程直接返回。
- 如果距上次同步成功时间超过2秒,主线程将会阻塞,直到同步操作完成。
- 通过对AOF阻塞流程可以发现两个问题:
- (1)everysec配置最多可能丢失2秒数据,不是1秒。
- (2)如果系统fsync缓慢,将会导致Redis主线程阻塞影响效率。
- AOF阻塞问题定位:
- (1)发生AOF阻塞时,Redis输出如下日志,用于记录AOF fsync阻塞导致拖慢Redis服务的行为:
Asynchronous AOF fsync is taking too long (disk is busy). Writing the AOF buffer without waiting for fsync to complete, this may slow down Redis
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- (2)每当发生AOF追加阻塞事件发生时,在info Persistence统计中,aof_delayed_fsync指标会累加,查看这个指标方便定位AOF阻塞问题。
- (3)AOF同步最多允许2秒的延迟,当延迟发生时说明硬盘存在高负载问题,可以通过监控工具如iotop,定位消耗硬盘IO资源的进程。
- 优化AOF追加阻塞问题主要是优化系统硬盘负载。
4、多实例部署
- Redis单线程架构导致无法充分利用CPU多核特性,通常的做法是在一台机器上部署多个Redis实例。当多个实例开启AOF重写后,彼此之间会产生对CPU和IO的竞争。
- 对于单机多Redis部署,如果同一时刻运行多个子进程,对当前系统影响将非常明显,因此需要采用一种措施,把子进程工作进行隔离。Redis在info Persistence中为我们提供了监控子进程运行状况的度量指标,如表5-2所示。
- 基于以上指标,可以通过外部程序轮询控制AOF重写操作的执行,整个过程如图5-6所示。
- 流程说明:
- (1)外部程序定时轮询监控机器(machine)上所有Redis实例。
- (2)对于开启AOF的实例,查看(aof_current_size-aof_base_size)/aof_base_size确认增长率。
- (3)当增长率超过特定阈值(如100%),执行bgrewriteaof命令手动触发当前实例的AOF重写。
- (4)运行期间循环检查aof_rewrite_in_progress和aof_current_rewrite_time_sec指标,直到AOF重写结束。
- (5)确认实例AOF重写完成后,再检查其他实例并重复(2)~(4)步操作。从而保证机器内每个Redis实例AOF重写串行化执行。
5、RDB和AOF示例
5.1、RDB
1、配置文件
dir /apps/redis/data/ #rdb文件的位置 dbfilename dump.rdb #rdb文件的名称 rdbcompression yes #压缩rdb文件 save 900 1 #900秒有1个写操作,就自动触发bgsave save 300 10 #300秒有10个写操作,就自动触发bgsave save 60 10000 #60秒有10000个写操作,就自动触发bgsave
2、手动触发RDB
//手动触发RDB 10.1.1.11:6380> bgsave Background saving started //查看RDB文件(将RDB文件放到新Redis实例的数据目录中,启动Redis时会自动加载) ]# ls -l /apps/redis/data/ -rw-r--r-- 1 root root 835 8月 17 18:05 dump.rdb
5.2、AOF
1、配置文件
appendonly yes #开启AOF,默认不开启 dir /apps/redis/data/ #AOF文件的位置 appendfilename "appendonly.aof" #AOF文件的名称 appendfsync everysec #AOF缓冲区同步文件策略 auto-aof-rewrite-percentage 100 #重写AOF文件,代表当前AOF文件的大小(aof_current_size)和上一次重写后AOF文件的大小(aof_base_size)的比值 auto-aof-rewrite-min-size 64mb #重写AOF文件,表示运行AOF重写时文件最小大小,默认为64MB
2、手动触发AOF
//手动触发AOF 10.1.1.11:6380> bgrewriteaof Background append only file rewriting started //查看AOF文件(将AOF文件放到新Redis实例的数据目录中,启动Redis时会自动加载) ]# ls -l /apps/redis/data/ -rw-r--r-- 1 root root 835 8月 17 22:38 appendonly.aof