Redis:持久化

1 概述

持久化的功能:Redis是内存数据库,数据都是存储在内存中,为了避免进程退出导致数据的永久丢失,需要定期将Redis中的数据以某种形式(数据或命令)从内存保存到硬盘;当下次Redis重启时,利用持久化文件实现数据恢复。除此之外,为了进行灾难备份,可以将持久化文件拷贝到一个远程位置。

Redis持久化分为RDB持久化和AOF持久化:前者将当前数据保存到硬盘,后者则是将每次执行的写命令保存到硬盘(类似于MySQL的binlog)。由于AOF持久化的实时性更好,即当进程意外退出时丢失的数据更少,因此AOF是目前主流的持久化方式,不过RDB持久化仍然有其用武之地。

2 RDB持久化

2.1 RDB文件的创建和载入

(1)创建

Redis有两个命令可以用于生成RDB文件,一个是SAVE,另一个是BGSAVE。

SAVE命令会阻塞Redis服务器进程,直到RDB文件创建完成,在服务器进程阻塞期间,服务器不能处理任何命令请求:

image.png

BGSAVE命令会派生出一个子进程,然后又子进程负责创建RDB文件,服务器进程(父进程)继续处理命令请求:

image.png

BGSAVE命令执行时:

  1. 服务器会拒绝执行SAVE命令,为了避免父进程和子进程同时执行rdbSave调用,防止产生竞争条件。
  2. 服务器会拒绝再次执行BGSAVE,同时执行两个BGSAVE命令会产生竞争条件。
  3. BGSAVE和BGREWRITEAOF(重写AOF文件)不能同时执行,因为这两个命令的实际工作都是由子进程执行,所以这两个命令在操作方面并没有冲突的地方,不能同时执行只是一个性能方面的考虑,并发出两个子进程,并且两个子进程都同时执行大量的磁盘写入操作,这不是一个好的事情。

(2)载入

RDB文件的载入工作是在服务器启动时自动执行的,所以Redis并没有专门用于载入RDB文件的命令,只要Redis服务器在启动时检测到RDB文件存在,他就会自动载入RDB文件。

需要注意的是:因为AOF文件的更新频率通常比RDB文件的更新频率高,所以:

  1. 如果服务器开启了AOF持久化功能,那么服务器会优先使用AOF文件来还原数据库状态。
  2. 只有在AOF持久化功能处于关闭状态时,服务器才会使用RDB文件来还原数据库状态。

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2.2 BGSAVE命令执行流程

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图片中的5个步骤所进行的操作如下:

  1. Redis父进程首先判断:当前是否在执行save,或bgsave/bgrewriteaof(后面会详细介绍该命令)的子进程,如果在执行则bgsave命令直接返回。bgsave/bgrewriteaof 的子进程不能同时执行,主要是基于性能方面的考虑:两个并发的子进程同时执行大量的磁盘写操作,可能引起严重的性能问题。
  2. 父进程执行fork操作创建子进程,这个过程中父进程是阻塞的,Redis不能执行来自客户端的任何命令
  3. 父进程fork后,bgsave命令返回”Background saving started”信息并不再阻塞父进程,并可以响应其他命令
  4. 子进程创建RDB文件,根据父进程内存快照生成临时快照文件,完成后对原有文件进行原子替换
  5. 子进程发送信号给父进程表示完成,父进程更新统计信息

2.3 间隔性保存

因为BGSAVE命令可以在不阻塞服务器进程的情况下执行,所以Redis可以通过配置服务器的save选项,让服务器每隔一段时间自动执行一次BGSAVE命令。

可以通过save选项设置多个保存条件,只要其中任意一个条件被满足,服务器就会执行BGSAVE命令。

例如:在服务器中配置以下内容:

save 900 1

save 300 10

save 60 10000

那么只要满足以下三个条件中的任意一个,BGSAVE命令就会被执行:

  1. 服务器在900秒内,对数据库进行了至少1次的修改。
  2. 服务器在300秒内,对数据库进行了至少10次的修改。
  3. 服务器在60秒内,对数据库进行了至少10000次的修改。

下面介绍自动保存的实现原理

2.2.1 设置保存条件

当Redis服务器启动时,用户可以通过指定配置文件或者传入启动参数的方式设置save选项,如果用户没有主动设置save选项,那么服务器会为save选项设置默认条件:

save 900 1

save 300 10

save 60 10000

然后,服务器会根据save选项所设置的保存条件,设置服务器状态redisServer结构的saveparams属性;

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2.2.2 dirty计数器和lastsave属性

除了saveparams数组之外,服务器状态还维持一个dirty计数器,以及一个lastsave属性。

  1. dirty计数器记录距离上一次成功执行save命令或者BGSAVE命令之后,服务器对数据库状态(服务器中所有的数据库)进行了多少次修改(包括写入,删除,更新等操作)
  2. lastsave属性是一个UNIX时间戳,记录了服务器上一次成功执行SAVE命令或者BGSAVE命令的时间。

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2.2.3 检查保存条件是否满足

Redis的服务器周期性操作函数serverCron默认每隔100毫秒就会执行一次,该函数用于对正在运行的服务器进行维护,它的其中一项工作就是检查save选项所设置的保存条件是否已经满足,如果满足就执行BGSAVE命令。

程序会遍历并检查saveparams数组中的所有保存条件,只要有任意一个条件被满足,那么服务器就会执行BGSAVE命令。

以上就是自动保存内容。

补充内容:其他自动触发机制

除了save m n 以外,还有一些其他情况会触发bgsave:

  • 在主从复制场景下,如果从节点执行全量复制操作,则主节点会执行bgsave命令,并将rdb文件发送给从节点。
  • 执行shutdown命令时,自动执行rdb持久化。

2.4 RDB文件结构

存储路径:

RDB文件的存储路径既可以在启动前配置,也可以通过命令动态设定。

配置:dir配置指定目录,dbfilename指定文件名。默认是Redis根目录下的dump.rdb文件。

动态设定:Redis启动后也可以动态修改RDB存储路径,在磁盘损害或空间不足时非常有用;执行命令为config set dir {newdir}和config set dbfilename {newFileName}。如下所示(Windows环境):

RDB文件格式:image.png

  • RDB文件的最开头是REDIS部分,这个部分的长度为5字节,保存着 "REDIS" 五个字符。通过这五个字符,程序可以在载入文件时,快速检查所载入的文件是否是RDB文件。
  • db_version 长度4个字节,他的值是一个字符串表示的整数,记录了RDB文件的版本号,比如“0006”就代表RDB文件的版本为第六版。
  • SELECTDB 0 pairs:表示一个完整的数据库(0号数据库),同理SELECTDB 3 pairs表示完整的3号数据库;只有当数据库中有键值对时,RDB文件中才会有该数据库的信息(上图所示的Redis中只有0号和3号数据库有键值对);如果Redis中所有的数据库都没有键值对,则这一部分直接省略。其中:SELECTDB是一个常量,代表后面跟着的是数据库号码;0和3是数据库号码;pairs则存储了具体的键值对信息,包括key、value值,及其数据类型、内部编码、过期时间、压缩信息等等。
  • EOF常量为1字节,这个常量标志着RDB文件正文内容的结束。
  • check_sum是一个8字节长的无符号整数,保存着一个校验和,这个校验和是程序通过对REDIS,db_version,database,EOF四个部分的内容进行计算得出的。服务器在载入RDB文件时,会将载入数据所计算出的校验和与check_sum所记录的校验和进行对比,以此检查RDB文件是否出错或者损坏的情况出现。

压缩

Redis默认采用LZF算法对RDB文件进行压缩。虽然压缩耗时,但是可以大大减小RDB文件的体积,因此压缩默认开启;可以通过命令关闭:

image.png

需要注意的是,RDB文件的压缩并不是针对整个文件进行的,而是对数据库中的字符串进行的,且只有在字符串达到一定长度(20字节)时才会进行。

2.5 RDB常用配置项

下面是RDB常用的配置项,以及默认值;

  • save m n:bgsave自动触发的条件;如果没有save m n配置,相当于自动的RDB持久化关闭,不过此时仍可以通过其他方式触发
  • stop-writes-on-bgsave-error yes:当bgsave出现错误时,Redis是否停止执行写命令;设置为yes,则当硬盘出现问题时,可以及时发现,避免数据的大量丢失;设置为no,则Redis无视bgsave的错误继续执行写命令,当对Redis服务器的系统(尤其是硬盘)使用了监控时,该选项考虑设置为no
  • rdbcompression yes:是否开启RDB文件压缩
  • rdbchecksum yes:是否开启RDB文件的校验,在写入文件和读取文件时都起作用;关闭checksum在写入文件和启动文件时大约能带来10%的性能提升,但是数据损坏时无法发现
  • dbfilename dump.rdb:RDB文件名
  • dir ./:RDB文件和AOF文件所在目录

3 AOF持久化

RDB持久化是将进程数据写入文件,而AOF持久化(即Append Only File持久化),则是将Redis执行的每次写命令记录到单独的日志文件中(有点像MySQL的binlog);当Redis重启时再次执行AOF文件中的命令来恢复数据。

与RDB相比,AOF的实时性更好,因此已成为主流的持久化方案。

3.1 AOF持久化的实现

AOF持久化功能的实现可以分为命令追加(append),文件写入,文件同步(sync)是哪个步骤。

3.1.1 开启AOF

Redis服务器默认开启RDB,关闭AOF;要开启AOF,需要在配置文件中配置:

appendonly yes

3.2.2 AOF执行流程

由于需要记录Redis的每条写命令,因此AOF不需要触发,下面介绍AOF的执行流程。

AOF的执行流程包括:

  • 命令追加(append):将Redis的写命令追加到缓冲区aof_buf;
  • 文件写入(write)和文件同步(sync):根据不同的同步策略将aof_buf中的内容同步到硬盘;
  • 文件重写(rewrite):定期重写AOF文件,达到压缩的目的。

3.2.2.1 命令追加

当AOF持久化功能处于打开状态时,服务器在执行完一个写命令之后,会以协议格式将被执行的写命令追加到服务器状态的aof_buf缓冲区末尾:

image.png

3.2.2.2 文件写入和文件同步

Redis提供了多种AOF缓存区的同步文件策略,策略涉及到操作系统的write函数和fsync函数,说明如下:

为了提高文件写入效率,在现代操作系统中,当用户调用write函数将数据写入文件时,操作系统通常会将数据暂存到一个内存缓冲区里,当缓冲区被填满或超过了指定时限后,才真正将缓冲区的数据写入到硬盘里。这样的操作虽然提高了效率,但也带来了安全问题:如果计算机停机,内存缓冲区中的数据会丢失;因此系统同时提供了fsync、fdatasync等同步函数,可以强制操作系统立刻将缓冲区中的数据写入到硬盘里,从而确保数据的安全性。

Redis 的服务器进程就是一个事件循环(loop),这个循环中的文件事件负责接收客户端的命令请求,以及向客户端发送命令回复,而时间事件则负责执行像serverCron 函数这样需要定时运行的函数。

因为服务器在处理文件时可能会执行写命令,使得一些内容被追加到aof_buf缓冲区里面,所以在服务器每次结束一个事件循环之前,它都会调用flushAppendOnlyFile函数,考虑是否需要将aof_buf缓冲区中的内容写入和保存到AOF文件里面,这个过程可用以下伪代码表示:

image.png

flushAppendOnlyFile函数的行为由服务器配置的appendfsync选项的值来决定,各个不同值产生的行为如表所示:

  • always:命令写入aof_buf后立即调用系统fsync操作同步到AOF文件,fsync完成后线程返回。这种情况下,每次有写命令都要同步到AOF文件,硬盘IO成为性能瓶颈,Redis只能支持大约几百TPS写入,严重降低了Redis的性能;即便是使用固态硬盘(SSD),每秒大约也只能处理几万个命令,而且会大大降低SSD的寿命。
  • no:命令写入aof_buf后调用系统write操作,不对AOF文件做fsync同步;同步由操作系统负责,通常同步周期为30秒。这种情况下,文件同步的时间不可控,且缓冲区中堆积的数据会很多,数据安全性无法保证。
  • everysec:命令写入aof_buf后调用系统write操作,write完成后线程返回;fsync同步文件操作由专门的线程每秒调用一次。everysec是前述两种策略的折中,是性能和数据安全性的平衡,因此是Redis的默认配置,也是我们推荐的配置。

3.2.2.3 AOF重写

因为AOF持久化是通过保存被执行的写命令来记录数据库状态的,所以随着服务器运行时间的流逝,AOF文件中的内容会越来越多,文件的体积也会越来越大,如果不加以控制的话,体积过大的AOF文件和可能对Redis服务器,甚至整个宿主计算机造成影响,并且AOF文件的体积越大,使用AOF文件来进行数据还原所需的时间就越多。

(1)AOF重写的实现

文件重写是指定期重写AOF文件,减小AOF文件的体积。需要注意的是,AOF重写是把Redis进程内的数据转化为写命令,同步到新的AOF文件;不会对旧的AOF文件进行任何读取、写入操作!

文件重写需要注意的另一点是:对于AOF持久化来说,文件重写虽然是强烈推荐的,但并不是必须的;即使没有文件重写,数据也可以被持久化并在Redis启动的时候导入;因此在一些实现中,会关闭自动的文件重写,然后通过定时任务在每天的某一时刻定时执行。

文件重写之所以能够压缩AOF文件,原因在于:

  • 过期的数据不再写入文件
  • 无效的命令不再写入文件:如有些数据被重复设值(set mykey v1, set mykey v2)、有些数据被删除了(sadd myset v1, del myset)等等
  • 多条命令可以合并为一个:如sadd myset v1, sadd myset v2, sadd myset v3可以合并为sadd myset v1 v2 v3。不过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类型的key,并不一定只使用一条命令;而是以某个常量为界将命令拆分为多条。这个常量在redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD中定义,不可更改,3.0版本中值是64。

通过上述内容可以看出,由于重写后AOF执行的命令减少了,文件重写既可以减少文件占用的空间,也可以加快恢复速度。

Redis将AOF重写程序放到子进程中执行,这样可以达到两个目的:

  1. 子进程进行AOF重写期间,服务器进程可以继续处理命令请求。
  2. 子进程带有服务器进程的数据副本,使用子进程而不是线程,可以避免使用锁的情况下,保证数据的安全性。

不过,使用子进程还会有一个问题,因为子进程在进行AOF重写期间,服务器进程还需要继续处理命令请求,而新的命令可能会对现有的数据库状态进行修改,从而使得服务器当前的数据库状态和重写后的AOF文件所保存的数据库状态不一致。

为了解决这种数据不一致的问题,Redis服务器设置了一个AOF重写缓存区,这个缓冲区在服务器创建子进程之后开始使用,当Redis服务器执行完一个写命令之后,他会同时将这个写命令发送给AOF缓冲区和AOF长些缓冲区。

image.png

当子进程完成AOF重写工作之后,它会向父进程发送一个信号,父进程在接到该信号之后,会调用一个信号处理函数,并执行以下工作:

  1. 将AOF重写缓存区中的所有内容写入到新的AOF文件中,这时新AOF文件所保存的数据库状态将和服务器当前的数据库状态一致。
  2. 对新的AOF文件进行改名,原子地(atomic)覆盖现有的AOF文件,完成新旧两个AOF文件的替换。

(2)AOF重写的触发

文件重写的触发,分为手动触发和自动触发:

手动触发:直接调用bgrewriteaof命令,该命令的执行与bgsave有些类似:都是fork子进程进行具体的工作,且都只有在fork时阻塞。

自动触发:根据auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage参数,以及aof_current_size和aof_base_size状态确定触发时机。

  • auto-aof-rewrite-min-size:执行AOF重写时,文件的最小体积,默认值为64MB。
  • auto-aof-rewrite-percentage:执行AOF重写时,当前AOF大小(即aof_current_size)和上一次重写时AOF大小(aof_base_size)的比值。

其中,参数可以通过config get命令查看:

image.png

状态可以通过info persistence查看:

image.png

只有当auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage两个参数同时满足时,才会自动触发AOF重写,即bgrewriteaof操作。

(3)AOF重写流程总结

image.png

关于文件重写的流程,有两点需要特别注意:(1)重写由父进程fork子进程进行;(2)重写期间Redis执行的写命令,需要追加到新的AOF文件中,为此Redis引入了aof_rewrite_buf缓存。

对照上图,文件重写的流程如下:

  1. Redis父进程首先判断当前是否存在正在执行 bgsave/bgrewriteaof的子进程,如果存在则bgrewriteaof命令直接返回,如果存在bgsave命令则等bgsave执行完成后再执行。前面曾介绍过,这个主要是基于性能方面的考虑。
  2. 父进程执行fork操作创建子进程,这个过程中父进程是阻塞的。

3.1) 父进程fork后,bgrewriteaof命令返回”Background append only file rewrite started”信息并不再阻塞父进程,并可以响应其他命令。Redis的所有写命令依然写入AOF缓冲区,并根据appendfsync策略同步到硬盘,保证原有AOF机制的正确。

3.2) 由于fork操作使用写时复制技术,子进程只能共享fork操作时的内存数据。由于父进程依然在响应命令,因此Redis使用AOF重写缓冲区(图中的aof_rewrite_buf)保存这部分数据,防止新AOF文件生成期间丢失这部分数据。也就是说,bgrewriteaof执行期间,Redis的写命令同时追加到aof_buf和aof_rewirte_buf两个缓冲区。

  1. 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。

5.1) 子进程写完新的AOF文件后,向父进程发信号,父进程更新统计信息,具体可以通过info persistence查看。

5.2) 父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件,这样就保证了新AOF文件所保存的数据库状态和服务器当前状态一致。

5.3) 使用新的AOF文件替换老文件,完成AOF重写。

3.2 AOF文件载入与数据还原

当AOF开启时,Redis启动时会优先载入AOF文件来恢复数据;只有当AOF关闭时,才会载入RDB文件恢复数据。

文件校验

与载入RDB文件类似,Redis载入AOF文件时,会对AOF文件进行校验,如果文件损坏,则日志中会打印错误,Redis启动失败。但如果是AOF文件结尾不完整(机器突然宕机等容易导致文件尾部不完整),且aof-load-truncated参数开启,则日志中会输出警告,Redis忽略掉AOF文件的尾部,启动成功。aof-load-truncated参数默认是开启的:

伪客户端

因为Redis的命令只能在客户端上下文中执行,而载入AOF文件时命令是直接从文件中读取的,并不是由客户端发送;因此Redis服务器在载入AOF文件之前,会创建一个没有网络连接的客户端,之后用它来执行AOF文件中的命令,命令执行的效果与带网络连接的客户端完全一样。

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3.3 AOF 常用配置

  • appendonly no:是否开启AOF
  • appendfilename "appendonly.aof":AOF文件名
  • dir ./:RDB文件和AOF文件所在目录
  • appendfsync everysec:fsync持久化策略
  • no-appendfsync-on-rewrite no:AOF重写期间是否禁止fsync;如果开启该选项,可以减轻文件重写时CPU和硬盘的负载(尤其是硬盘),但是可能会丢失AOF重写期间的数据;需要在负载和安全性之间进行平衡
  • auto-aof-rewrite-percentage 100:文件重写触发条件之一
  • auto-aof-rewrite-min-size 64mb:文件重写触发提交之一
  • aof-load-truncated yes:如果AOF文件结尾损坏,Redis启动时是否仍载入AOF文件

4 总结

  1. 持久化在Redis高可用中的作用:数据备份,与主从复制相比强调的是由内存到硬盘的备份。
  2. RDB持久化:将数据快照备份到硬盘;介绍了其触发条件(包括手动出发和自动触发)、执行流程、RDB文件等,特别需要注意的是文件保存操作由fork出的子进程来进行。
  3. AOF持久化:将执行的写命令备份到硬盘(类似于MySQL的binlog),介绍了其开启方法、执行流程等,特别需要注意的是文件同步策略的选择(everysec)、文件重写的流程。

5 参考文档

https://www.cnblogs.com/kismetv/p/9137897.html

redis的设计与实现


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