學習Redis持久化

        Redis支持RDB和AOF兩種持久化機制，持久化功能有效地避免因進程退出形成的數據丟失問題，當下次重啓時利用以前持久化的文件便可實現數據恢復。理解掌握持久化機制對於Redis運維很是重要。

    首先介紹RDB、AOF的配置和運行流程，以及控制持久化的相關命令，如bgsave和bgrewriteaof。

RDB

RDB持久化是把當前進程數據生成快照保存到硬盤的過程，觸發RDB持久化過程分爲手動觸發和自動觸發。

觸發機制

手動觸發分別對應save和bgsave命令：

save命令：阻塞當前Redis服務器，直到RDB過程完成爲止，對於內存比較大的實例會形成長時間阻塞，線上環境不建議使用。運行save命令對應的Redis日誌以下：

1283:M 04 Apr 21:39:03.035 * DB saved on disk

bgsave命令：Redis進程執行fork操做建立子進程，RDB持久化過程由子進程負責，完成後自動結束。阻塞只發生在fork階段，通常時間很短。運行bgsave命令對應的Redis日誌以下：

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

顯然bgsave命令是針對save阻塞問題作的優化。所以Redis內部全部的涉及RDB的操做都採用bgsave的方式，而save命令已經廢棄。

除了執行命令手動觸發以外，Redis內部還存在自動觸發RDB的持久化機制，例如如下場景：

1)使用save相關配置，如"save m n"。表示m秒內數據集存在n次修改時，自動觸發bgsave。

2)若是從節點執行全量複製操做，主節點自動執行bgsave生成RDB文件併發送給從節點。

3)執行debug reload命令從新加載Redis時，也會自動觸發save操做。

4)默認狀況下執行shutdown命令時，若是沒有開啓AOF持久化功能則自動執行bgsave。

                注：若是想關閉自動RDB持久化，在配置文件刪除"save m n"的配置

流程說明

bgsave是主流的觸發RDB持久化方式，下面根據下圖瞭解它的運做流程。

1)執行bgsave命令，Redis父進程判斷當前是否存在正在執行的子進程，如RDB/AOF子進程，若是存在bgsave命令直接返回。

2)父進程執行fork操做建立子進程，fork操做過程當中父進程會阻塞，經過info stats命令查看latest_fork_usec選項，能夠獲取最近一個ork操做的耗時，單位爲微秒。

3)父進程fork完成後，bgsave命令返回"Background saving started"信息並再也不阻塞父進程，能夠繼續響應其餘命令。

4)子進程建立RDB文件，根據父進程內存生成臨時快照文件，完成對原有文件執行原子替換。執行lastsave命令能夠獲取最後一次生成RDB的時間，對應info統計的rdb_last_save_time選項。

5)進程發送信號給父進程表示完成，父進程更新統計信息，具體見info Persistence下的rdb_*相關選項。

RDB文件的處理

保存:RDB文件保存在dir配置指定的目錄下，文件名經過dbfilename配置指定。能夠經過執行config set dir {newDir}和config set dbfilename {newFileName}運行期動態執行，當下次運行時RDB會保存到新目錄。

當遇到壞盤或磁盤寫滿等待狀況時，能夠經過config set dir {newDir}在線修改文件路徑到可用的磁盤路徑，以後執行bgsave進行bgsave進程磁盤切換，一樣適用於AOF持久化文件。

壓縮：Redis默認採用LZF算法對生成的RDB文件作壓縮處理，壓縮後的文件遠遠小於內存大小，默認開啓，能夠經過config set rdbcompression {yes|no}動態修改。

雖然壓縮RDB會消耗CPU，但可大幅下降文件的體積，方便保存到硬盤或經過網絡發送給從節點，所以線上建議開啓。

校驗：若是Redis加載損壞的RDB文件時拒絕啓動，並打印以下日誌：

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

可使用Redis提供的redis-check-rdb工具檢測RDB文件並獲取對應用的錯誤報告。

[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的優缺點

優勢：RDB是一個緊湊壓縮的二進程文件，表明Redis在某個時間點上的數據快照。很是適用於備份，全量複製等場景。好比第6小時執行bgsave備份，並把RDB文件拷貝到遠程機器或者文件系統中(如hdfs)，用於災難恢復。Redis加載RDB恢復數據遠遠快於AOF的方式。

缺點：RDB方式數據沒辦法作到實時持久化/秒級持久化。由於bgsave每次運行都要執行fork操做建立子進程，屬於重量級操做，頻繁執行成本太高。RDB文件使用特定二進程格式保存，Redis版本演進過程當中有多個格式的RDB版本，存在老版本Redis服務沒法兼容新版RDB格式的問題。

針對RDB不短途實時持久化的問題，Redis提供了AOF持久化方式來解決。

AOF

AOF(append only file)持久化：以獨立日誌的方式記錄每次寫命令，重啓時再從新執行AOF文件中的命令達到恢復數據的目的。AOF的主要做用是解決了數據持久化的實時性，目前已是Redis持久化的主流方式。理解掌握好AOF持久化機制對咱們兼顧數據安全性和性能很是有幫助。

使用AOF

開啓AOF功能須要設置參數:appendonly yes，默認不開啓。AOF文件名經過appendfilename參數設置，默認文件名是appendonly.aof。保存路徑同RDB持久化方式一致，經過dir配置指定。AOF的工做流程操做：命令寫入(append)、文件同步(sync)、文件重寫(rewrite)、重啓加載(load)，以下圖：

流程以下：

1)全部的寫入命令會追加到aof_buf(緩衝區)中。

2)AOF緩衝區根據對應的策略向硬盤作同步操做。

3)隨着AOF文件愈來愈大，須要按期對AOF文件進行重寫，達到壓縮的目的。

4)當Redis服務器重啓時，能夠加載AOF文件進行數據恢復。

瞭解AOF工做流程以後，下面針對每一個步驟作詳細介紹。

命令寫入

AOF命令寫入的內容直接是文本協議格式。例如set hello world這條命令，在AOF緩衝區會追加以下文本

*3
$3
set
$5
hello
$5
world

關於AOF的兩個疑惑：

1)AOF爲何直接採用文本協議格式？可能的理由以下：

文本協議具備很好的兼容性。

開啓AOF後，全部寫入命令都包含追加操做，直接採用協議格式，避免了二次處理開銷。

文本協議具備可讀性，方便直接修改和處理。

2)AOF爲何把命令追加到aof_buf中？Redis使用單線程響應命令，若是每次寫AOF文件命令都直接追加到硬盤，那麼性能徹底取決於當前硬盤負載。先寫入緩衝區aof_buf中，還有另外一個好處，Redis能夠提供多種緩衝區同步硬盤的策略，在性能和安全性方面作出平衡。

文件同步

Redis提供了多種AOF緩衝區同步文件策略，由參數appendfsync控制，不一樣的含義以下：

always：命令寫入aof_buf後調用系統fsync操做同步到AOF文件，fsync完成後線程返回

everysec：命令寫入aof_buf後調用系統write操做，write完成後線程返回。fsync同步文件操做由專門線程每秒調用一次

no：命令寫入aof_buf後調用系統write操做，不對AOF文件作fsync同步，同步硬盤操做由操做系統負責，一般同步週期最長30秒

系統調用write和fsync說明：

write操做會觸發延遲寫(delayed write)機制。Linux在內核操做頁緩衝區用來提升硬盤IO性能。write操做在寫入系統緩衝區後直接返回。同步硬盤操做依賴於系統調度機制，例如：緩衝區頁空間寫滿或達到特定時間週期。同步文件以前，若是此時系統故障宕機，緩衝區內數據將丟失。

fsync針對單個文件操做(好比AOF文件)，作強制硬盤同步，fsync將阻塞直到寫入硬盤完成後返回，保證了數據持久化。

除了write、fsync、Linux還提供了sync、fdatasync操做。

配置爲always時，每次寫入都要同步AOF文件，在通常的SATA硬盤上，Redis只能支持大約幾百TPS寫入，顯然跟Redis高性能特性背道而馳，不建議配置。

配置爲no，因爲操做系統每次同步AOF文件的週期不可控，並且會加大每次同步硬盤的數據量，雖然提高了性能，但數據安全性沒法保證。

配置爲everysec，是建議的同步策略，也是默認配置，作到兼顧性能和數據安全性。理論上只有在系統忽然宕機的狀況下丟失1秒的數據。(嚴格來講最多丟失1it數據是不許確的)。

重寫機制

隨着命令不斷寫入AOF，文件會愈來愈大，爲了解決這個問題，Redis引入AOF重寫機制壓縮文件體積。AOF文件重寫是把Redis進程內的數據轉化爲寫命令同步到新AOF文件的過程。

重寫後的AOF文件爲何能夠變小？有以下緣由：

1)進程內已經超時的數據再也不寫入文件

2)舊的AOF文件含有有效命令，如del key一、hdel key二、srem keys、set a1十一、set a222等。重寫使用進程內數據直接生成，這樣新的AOF文件只保留最終數據的寫入命令。

3)多條寫命令能夠合併爲一下，如：lpush list a、lpush list b、lpush list c能夠轉化爲:lpush list a b c。爲了防止單條命令過大形成客戶端緩衝區溢出，對於list、set、hash、zset等類型操做，以64個元素爲界拆分爲多條。

AOF重寫下降了文件佔用空間，除此以外，另外一個目的是：更小的AOF文件能夠更快被Redis加載。

AOF重寫過程能夠手動觸發和自動觸發：

手動觸發：直接調用bgrewriteaof命令

自動觸發：根據auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage參數肯定自動觸發時機。

auto-aof-rewrite-min-size：表示運行AOF重寫時文件最小體積，默認爲64M。

auto-aof-rewrite-percentage：表明當前AOF文件空間(aof_current_size)和上一次重寫後AOF文件(aof_base_size)的比值。

自動觸發時間=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能夠在info Persistence統計信息中查看。

        自動觸發AOF重寫，會輸出以下日誌：

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

當觸發AOF重寫時，內存作了哪些事呢？結合下圖介紹運行流程

流程說明：

1)執行AOF重寫請示

若是當前進程正在執行AOF重寫，請求不執行並返回以下響應：

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

若是當前進程正在執行bgsave操做，重寫命令延遲到bgsave完成以後再執行，返回以下響應：

Background append only file rewriting scheduled

2) 父進程進程fork建立子進程，開銷等同於bgsave過程。

3.1) 主進程fork操做完成後，繼續響應其餘命令。全部修改命令依然寫入AOF緩衝區並根據appendfsync策略同步到硬盤，保證原有AOF機制正確性。

3.2)因爲fork操做運用寫時複製技術，子進程只能共享fork操做時的內存數據。因爲父進程依然響應命令，Redis使用"AOF重寫緩衝區"保存這部分新數據，防止新AOF文件生成期間丟失這部分數據。

4)子進程根據內存快照，執照命令合併規則寫入到新的AOF文件。每次批量寫入硬盤數據量由配置aof-rewrite-incremental-fsync控制，默認爲32MB，防止單次刷盤數據過多形成硬盤阻塞。

5.1)新AOF文件寫入完成後，子進程發送信號給父進程，父進程更新統計信息，具體見info persistence下的aof_*相關統計。

5.2)父進程把AOF重寫緩衝區的數據寫入到新的AOF文件。

5.3)使用新AOF文件替換老文件，完成AOF重寫。

重啓加載

AOF和RDB文件均可以用於服務器重啓時的數據恢復。以下圖所示，表示Redis持久化文件加載流程。

流程說明：

1)AOF持久化開啓且存在AOF文件時，優先加載AOF文件，打印以下日誌

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

2)AOF關閉或AOF文件不存在時，加載RDB文件，打印以下日誌：

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

3)加載AOF/RDB文件成功後，Redis啓動成功

4)AOF/RDB文件存在錯誤時，Redistribute啓動失敗並打印錯誤信息。

文件校驗

加載損壞的AOF文件時會拒絕啓動，並打印以下日誌：

Bad file format reading the append only file: make a backup of your AOF file,then use ./redis-check-aof --fix <filename>

對於錯誤格式的AOF文件，先進行備份，而後採用redis-check-aof --fix命令進行修復，修復後使用diff -u對比數據的差別，找出丟失的數據，有些能夠人工修改補全。

AOF文件可能存在結尾不完整的狀況，好比機器忽然掉電致使AOF尾部命令寫入不全。Redis爲咱們提供了aof-load-truncated配置來兼容這種狀況，默認開啓。加載AOF時，當遇到此問題時會忽略並繼續啓動，同時打印以下警告日誌：

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

博文內容摘自《Redis開發與運維》一書。