一文详解Redis中的持久化

1. 前言

为什么要进行持久化？：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。

持久化都有那些方式？：Redis支持RDB和AOF两种持久化机制。

2. 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。

2.1 手动触发

手动触发分别对应save和bgsave命令：

• save 命令：：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。

显然bgsave命令是针对save阻塞问题做的优化。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。

2.2 自动触发

• 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。
• 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。
• 执行debug reload命令重新加载Redis时，也会自动触发save操作。
• 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。

3. bgsave大致流程

流程说明：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

关于RDB文件：

• 存储位置：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。
• 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}动态修改。
• 校验：如果Redis加载损坏的RDB文件时拒绝启动，并打印 # Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now. （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）。

4. RDB持久化方式的优缺点

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。（数据紧凑，便于存储）
• Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。（恢复速度快）

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。（成本高）
• 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。（不兼容）

5. 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。主要作用是解决了数据持久化的实时性。

6. AOF的使用方式

• 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。(路径同RDB)
• 主要流程有命令写入（append）、文件同步（sync）、文件重写（rewrite）、重启加载（load）。

7. AOF流程剖析

流程描述：

• 所有的写入命令会追加到aof_buf（缓冲区）中。
• AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。
• 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。
• 当Redis服务器重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复。

7.1 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

为什么使用文本协议格式？

• 文本协议具有很好的兼容性。（兼容性好）
• 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。（处理简单）
• 文本协议具有可读性，方便直接修改和处理。（方便修改）

为什么要追加到aof_buf中而不是直接写入硬盘？

• 如果每次写AOF文件命令都直接追加到硬盘，那么Redis的性能就会受到硬盘读写速度的影响，而硬盘的读写速度相对于内存则是数量级上的差距，所以如果每次直接写入硬盘则势必会大幅度影响Redis的运行速度。（影响运行速度）
• 使用缓冲区暂存，Redis还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。（可以针对具体场景干预刷盘策略，以达到更好的效果）

7.2 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。

系统调用write和fsync的几点说明：

• write ：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。（写缓冲，定期由操作系统刷盘）
• 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。（立即将缓冲数据刷盘）

策略的几点说明：

• always：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。
• 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。
• 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。（在系统突然宕机的情况下丢失1~2秒的数据）

7.3 重写机制

为什么要重写？：

• 随着命令不断写入AOF，文件会越来越大。
• 会包含越来越多无用的命令记录。（比如最近一次对一个值的更新操作，那么在此之前记录的更新操作都会作废）
• 更小的AOF文件可以更快地被Redis加载。

怎么重写？：

• AOF文件重写就是把Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件。

重写后那些优化让文件变小了？：

• 进程内已经超时的数据不再写入文件。（去除失效数据）
• 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。（去除无用命令）
• 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。（使用批量命令）

重写有那些触发方式？：

• 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-rewritepercentage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。（根据当前文件大小）
  • 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。（根据文件大小的增量）

自动触发时机：

aof_current_size > auto-aof-rewrite-minsize && (aof_current_size-aof_base_size)/aof_base_size >= auto-aof-rewrite-percentage

aof_current_size 和 aof_base_size 可以在info Persistence统计信息中查看。

重写流程概述：

流程描述：

• 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 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 Background append only file rewriting scheduled
• 父进程执行fork创建子进程，开销等同于bgsave过程。
• (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。(2)由于fork操作运用写时复制技术(Copy On Write)，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。
• 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。
• (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的aof_*相关统计。(2)父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件(3)并使用新AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

7.4 重启加载

流程描述：

• AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件，并输出 DB loaded from append only file: xxx seconds 。
• AOF关闭或者AOF文件不存在时，加载RDB文件，并输出 DB loaded from disk: xxx seconds 。
• 加载AOF或RDB文件成功后，Redis启动成功。
• AOF或RDB文件存在错误时，Redis启动失败并打印错误信息。

关于文件校验：

加载损坏的AOF文件时会拒绝启动，并会输出：

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

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。

对于AOF文件结尾不完整：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

8. 问题定位与优化

8.1 关于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是个重量级操作虽然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，因此fork操作耗时跟进程总内存量息息相关。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。

减少fork耗时的措施：

• 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。
• 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。
• 合理配置Linux内存分配策略，避免物理内存不足导致fork失败。
• 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。

8.2 关于子进程开销

CPU：

• 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%。
• 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。

内存：

• 分析：得益于Linux的写时复制机制（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。（重写时共享同一份物理内存区域，内存主要开销在于 拷贝的页表 和 应用 copy on write 时某些页的拷贝 以及在进行AOF重写所使用的 aof_rewrite_buf占用的大小 ）
• 优化：
  • 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。
  • 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。

硬盘：

• 分析：子进程主要职责是把AOF或者RDB文件写入硬盘持久化，所以在执行重写的时候势必会增加硬盘的写入压力。根据Redis重写AOF或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。
• 优化：
  • 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。
  • AOF重写时会消耗大量硬盘IO，可以开启配置no-appendfsyncon-rewrite，默认关闭。表示在AOF重写期间不做fsync操作，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。
  • 当开启AOF功能的Redis用于高流量写入场景时，Redis的性能会受到硬盘写入性能的影响。
  • 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。

8.3 关于AOF追加阻塞

描述：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。

问题定位：

• 发生AOF阻塞时，Redis输出日志，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 Redi
• 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。
• 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。

流程概述：

• 主线程负责写入AOF缓冲区。
• 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。
• 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。

也就是说：

• everysec配置最多可能丢失2秒数据，不是1秒。
• 如果系统fsync缓慢，将会导致Redis主线程阻塞影响效率。

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