Redis之持久化原理（详解）

Redis是一种高级key-value数据库。它跟memcached类似，不过数据可以持久化，而且支持的数据类型很丰富。有字符串，链表，集 合和有序集合。支持在服务器端计算集合的并，交和补集(difference)等，还支持多种排序功能。所以Redis也可以被看成是一个数据结构服务器。Redis的所有数据都是保存在内存中，然后不定期的通过异步方式保存到磁盘上(这称为“半持久化模式”)；也可以把每一次数据变化都写入到一个append only file(aof)里面(这称为“全持久化模式”)。

由于Redis的数据都存放在内存中，如果没有配置持久化，redis重启后数据就全丢失了，于是需要开启redis的持久化功能，将数据保存到磁盘上，当redis重启后，可以从磁盘中恢复数据。

redis提供两种方式进行持久化：

（1）RDB持久化：在指定的时间间隔能对你的数据进行快照存储。
（2）AOF持久化：记录每次对服务器写的操作,当服务器重启的时候会重新执行这些命令来恢复原始的数据。

一、持久化的配置

为了使用持久化的功能，我们需要先知道该如何开启持久化的功能。

1.1 RDB的持久化配置

# 时间策略
save 900 1           #在900秒(15分钟)之后，如果至少有1个key发生变化，则dump内存快照。
save 300 10          #在300秒(5分钟)之后，如果至少有10个key发生变化，则dump内存快照。
save 60 10000        #在60秒(1分钟)之后，如果至少有10000个key发生变化，则dump内存快照。

# 文件名称
dbfilename dump.rdb

# 文件保存路径
dir /home/work/app/redis/data/

# 如果持久化出错，主进程是否停止写入
stop-writes-on-bgsave-error yes

# 是否压缩
rdbcompression yes

# 导入时是否检查
rdbchecksum yes

配置其实非常简单，这里说一下持久化的时间策略具体是什么意思：

save 900 1 #表示900s内如果有1条是写入命令，就触发产生一次快照，可以理解为就进行一次备份

save 300 10 #表示300s内有10条写入，就产生快照

下面的类似，那么为什么需要配置这么多条规则呢？因为Redis每个时段的读写请求肯定不是均衡的，为了平衡性能与数据安全，我们可以自由定制什么情况下触发备份。所以这里就是根据自身Redis写入情况来进行合理配置。

stop-writes-on-bgsave-error yes 这个配置也是非常重要的一项配置，这是当备份进程出错时，主进程就停止接受新的写入操作，是为了保护持久化的数据一致性问题。如果自己的业务有完善的监控系统，可以禁止此项配置， 否则请开启。

关于压缩的配置 rdbcompression yes ，建议没有必要开启，毕竟Redis本身就属于CPU密集型服务器，再开启压缩会带来更多的CPU消耗，相比硬盘成本，CPU更值钱。

当然如果你想要禁用RDB配置，也是非常容易的，只需要在save的最后一行写上：save “”

1.2 AOF的持久化配置

#是否开启aof
appendonly yes

# 文件名称
appendfilename "appendonly.aof"

# 同步方式
appendfsync everysec

# aof重写期间是否同步
no-appendfsync-on-rewrite no

# 重写触发配置
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

# 加载aof时如果有错如何处理
aof-load-truncated yes

# 文件重写策略
aof-rewrite-incremental-fsync yes

配置解释：

appendfsync everysec 有三种模式：

（1）always：把每个写命令都立即同步到aof，很慢，但是很安全
（2）everysec：每秒同步一次，是折中方案
（3）no：redis不处理交给OS来处理，非常快，但是也最不安全

一般情况下都采用 everysec 配置，这样可以兼顾速度与安全，最多损失1s的数据。aof-load-truncated yes 如果该配置启用，在加载时发现aof尾部不正确是，会向客户端写入一个log，但是会继续执行，如果设置为 no ，发现错误就会停止，必须修复后才能重新加载。

二、RDB与AOF持久化的工作原理

关于原理部分，我们主要来看RDB与AOF是如何完成持久化的，他们的过程是如何。

在介绍原理之前先说下Redis内部的定时任务机制，定时任务执行的频率可以在配置文件中通过 hz 10 来设置（这个配置表示1s内执行10次，也就是每100ms触发一次定时任务）。该值最大能够设置为：500，但是不建议超过：100，因为值越大说明执行频率越频繁越高，这会带来CPU的更多消耗，从而影响主进程读写性能。

定时任务使用的是Redis自己实现的 TimeEvent，它会定时去调用一些命令完成定时任务，这些任务可能会阻塞主进程导致Redis性能下降。因此我们在配置Redis时，一定要整体考虑一些会触发定时任务的配置，根据实际情况进行调整。

2.1 RDB的原理

在Redis中RDB持久化的触发分为两种：手动触发与定时触发。

（1）针对RDB方式的持久化，手动触发可以使用：

save：会阻塞当前Redis服务器，直到持久化完成，线上应该禁止使用。

bgsave：该触发方式会fork一个子进程，由子进程负责持久化过程，因此阻塞只会发生在fork子进程的时候。

（2）自动触发的场景主要是有以下几点：

根据我们的 save m n 配置规则自动触发；

从节点全量复制时，主节点发送rdb文件给从节点完成复制操作，主节点会触发 bgsave；

执行 debug reload 时；

执行 shutdown时，如果没有开启aof，也会触发。

由于 save 基本不会被使用到，我们重点看看 bgsave 这个命令是如何完成RDB的持久化的。

这里注意的是 fork 操作会阻塞，导致Redis读写性能下降。我们可以控制单个Redis实例的最大内存，来尽可能降低Redis在fork时的事件消耗。以及上面提到的自动触发的频率减少fork次数，或者使用手动触发，根据自己的机制来完成持久化。

2.2 AOF的原理

AOF的整个流程大体来看可以分为两步:

（1）命令的实时写入（如果是 appendfsync everysec 配置，会有1s损耗）
（2）对aof文件的重写

对于增量追加到文件这一步主要的流程是：命令写入 => 追加到aof_buf => 同步到aof磁盘。那么这里为什么要先写入buf在同步到磁盘呢？如果实时写入磁盘会带来非常高的磁盘IO，影响整体性能。

aof重写是为了减少aof文件的大小，可以手动或者自动触发，关于自动触发的规则请看上面配置部分。fork的操作也是发生在重写这一步，也是这里会对主进程产生阻塞。

手动触发： bgrewriteaof，自动触发 就是根据配置规则来触发，当然自动触发的整体时间还跟Redis的定时任务频率有关系。

下面来看看重写的一个流程图:

对于上图有四个关键点补充一下：

（1）在重写期间，由于主进程依然在响应命令，为了保证最终备份的完整性；因此它依然会写入旧的AOF file中，如果重写失败，能够保证数据不丢失。

（2）为了把重写期间响应的写入信息也写入到新的文件中，因此也会为子进程保留一个buf，防止新写的file丢失数据。

（3）重写是直接把当前内存的数据生成对应命令，并不需要读取老的AOF文件进行分析、命令合并。

（4）AOF文件直接采用的文本协议，主要是兼容性好、追加方便、可读性高可认为修改修复。

不管是RDB还是AOF都是先写入一个临时文件，然后通过 rename 完成文件的替换工作。

三、RDB和AOF两者的优缺点分析

先来说说两者的区别：

（1）RDB持久化是指在指定的时间间隔内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。

（2）AOF持久化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。

3.1 RDB的优缺点

优点：

（1）一旦采用该方式，那么你的整个Redis数据库将只包含一个文件，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。通过这样的备份策略，一旦系统出现灾难性故障，我们可以非常容易的进行恢复。
（2）对于灾难恢复而言，RDB是非常不错的选择。因为我们可以非常轻松的将一个单独的文件压缩后再转移到其它存储介质上。
（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，这样就可以极大的避免服务进程执行IO操作了。
（4）相比于AOF机制，如果数据集很大，RDB的启动效率会更高。

缺点：

（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将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，此前没有来得及写入磁盘的数据都将丢失。
（2）由于RDB是通过fork子进程来协助完成数据持久化工作的，因此，如果当数据集较大时，可能会导致整个服务器停止服务几百毫秒，甚至是1秒钟。

3.2 AOF的优缺点

优点：

（1）该机制可以带来更高的数据安全性，即数据持久性。Redis中提供了3中同步策略，即每秒同步、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。至于无同步，无需多言，我想大家都能正确的理解它。
（2）由于该机制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rewrite机制。即Redis以append模式不断的将修改数据写入到老的磁盘文件中，同时Redis还会创建一个新的文件用于记录此期间有哪些修改命令被执行。因此在进行rewrite切换时可以更好的保证数据安全性。
（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。

缺点：

（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。

二者选择的标准，就是看系统是愿意牺牲一些性能，换取更高的缓存一致性（aof），还是愿意写操作频繁的时候，不启用备份来换取更高的性能，待手动运行save的时候，再做备份（rdb）。rdb这个就更有些 eventually consistent的意思了。

四、如何从持久化中恢复数据

数据的备份、持久化做完了，我们如何从这些持久化文件中恢复数据呢？如果一台服务器上有既有RDB文件，又有AOF文件，该加载谁呢？其实想要从这些文件中恢复数据，只需要重新启动Redis即可。

我们还是通过图来了解这个流程：

启动时会先检查AOF文件是否存在，如果不存在就尝试加载RDB。那么为什么会优先加载AOF呢？因为AOF保存的数据更完整，通过上面的分析我们知道AOF基本上最多损失1s的数据。

五、关于性能与实践建议

通过上面的分析，我们都知道RDB的快照、AOF的重写都需要fork，这是一个重量级操作，会对Redis造成阻塞。因此为了不影响Redis主进程响应，我们需要尽可能降低阻塞。

（1）降低fork的频率，比如可以手动来触发RDB生成快照、与AOF重写；
（2）控制Redis最大使用内存，防止fork耗时过长；
（3）使用更牛逼的硬件；
（4）合理配置Linux的内存分配策略，避免因为物理内存不足导致fork失败。

在线上我们到底该怎么做？（超级干货！！！）

（1）如果Redis中的数据并不是特别敏感或者可以通过其它方式重写生成数据，可以关闭持久化，如果丢失数据可以通过其它途径补回；
（2）自己制定策略定期检查Redis的情况，然后可以手动触发备份、重写数据；
（3）单机如果部署多个实例，要防止多个机器同时运行持久化、重写操作，防止出现内存、CPU、IO资源竞争，让持久化变为串行；
（4）可以加入主从机器，利用一台从机器进行备份处理，其它机器正常响应客户端的命令；
（5）RDB持久化与AOF持久化可以同时存在，配合使用。