【Redis—基础】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。

RDB

RDB持久化是Redis默认使用的持久化功能，该功能可以创建出一个经过压缩的二进制文件，其中包含了服务器在各个数据库中存储的键值对数据等信息。RDB持久化产生的文件都以.rdb后缀结尾，其中rdb代表Redis DataBase（Redis数据库）。

触发机制

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。

除了执行命令手动触发之外，Redis内部还存在自动触发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。

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。

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}运行期动态执行，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}在线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}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，并打印错误日志。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。

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。非常适用于冷备份，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。
2. Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。

缺点

1. 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。
2. 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。

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。

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），如图所示。

流程如下：

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。

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

下面介绍关于AOF的两个疑惑：

AOF为什么直接采用文本协议格式？

可能的理由如下：

• 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。

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，不同值的含义如下表所示。

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。

• 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，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）

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？有如下原因：

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，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。
3. 多条写命令可以合并为一个，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-min-size &&（aof_current_size-aof_base_size）/ aof_base_size >= auto-aof-rewrite-percentage

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

流程说明

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。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。

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文件替换旧文件，完成AOF重写。

重启加载

文件校验

加载损坏的AOF文件时会拒绝启动，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。

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，同时打印警告日志。

RDB-AOF混合持久化

由于RDB持久化和AOF持久化都有各自的优缺点，因此在很长一段时间里，如何选择合适的持久化方式成了很多Redis用户面临的一个难题。为了解决这个问题，Redis从4.0版本开始引入RDB-AOF混合持久化模式，这种模式是基于AOF持久化模式构建而来的——如果用户打开了服务的AOF持久化功能，并且将aof-use-rdb-preamble选项的值设置成了yes，那么Redis服务器在执行AOF重写操作时，就会像执行BGSAVE命令那样，根据数据库当前的状态生成出相应的RDB数据，并将这些数据写入新建的AOF文件中，至于那些在AOF重写开始之后执行的Redis命令，则会继续以协议文本的方式追加到新AOF文件的末尾，即已有的RDB数据的后面。换句话说，在开启了RDB-AOF混合持久化功能之后，服务器生成的AOF文件将由两个部分组成，其中位于AOF文件开头的是RDB格式的数据，而跟在RDB数据后面的则是AOF格式的数据。

通过使用RDB-AOF混合持久化功能，用户可以同时获得RDB持久化和AOF持久化的优点：服务器既可以通过AOF文件包含的RDB数据来实现快速的数据恢复操作，又可以通过AOF文件包含的AOF数据来将丢失数据的时间窗口限制在1s之内。

需要注意的是，因为RDB-AOF混合持久化生成的AOF文件会同时包含RDB格式的数据和AOF格式的数据，而传统的AOF持久化只会生成包含AOF格式的数据，所以为了避免全新的RDB-AOF混合持久化功能给传统的AOF持久化功能使用者带来困惑，Redis目前默认是没有打开RDB-AOF混合持久化功能的。但是Redis的作者声称，RDB-AOF混合持久化将在未来取代传统的RDB持久化成为Redis默认的持久化模式。

问题定位与优化

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。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。

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。

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。

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。

CPU

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%。

1. 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。
2. 不要和其他CPU密集型服务部署在一起，造成CPU过度竞争。
3. 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

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。

RDB重写时，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，可以等价认为RDB重写消耗了此数量的内存。

AOF重写时，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，因此根据日志可以预估内存消耗为：父进程COW消耗的内存+AOF重写缓冲区的内存，也就是AOF重写时子进程消耗的内存量。

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。

硬盘

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。

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，可以换成固态硬盘加大吞吐量。
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。

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。

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。

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。

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

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，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，优化方式见上一节。

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，如表所示:

我们基于以上指标，可以通过外部程序轮询控制AOF重写操作的执行，整个过程如图所示。

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。