Day730.AOF日志 -Redis 核心技术与实战

Posted 2022-09-07 阿昌喜欢吃黄桃

AOF日志

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于redis的AOF日志。

如果有人问你：“你会把 Redis 用在什么业务场景下？”

大概率会说：“我会把它当作缓存使用，因为它把后端数据库中的数据存储在内存中，然后直接从内存中读取数据，响应速度会非常快。

”没错，这确实是 Redis 的一个普遍使用场景，但是，这里也有一个绝对不能忽略的问题：一旦服务器宕机，内存中的数据将全部丢失。

很容易想到的一个解决方案是，从后端数据库恢复这些数据，但这种方式存在两个问题：

• 一是，需要频繁访问数据库，会给数据库带来巨大的压力；
• 二是，这些数据是从慢速数据库中读取出来的，性能肯定比不上从 Redis 中读取，导致使用这些数据的应用程序响应变慢。

所以，对 Redis 来说，实现数据的持久化，避免从后端数据库中进行恢复，是至关重要的。

目前，Redis 的持久化主要有两大机制，即 AOF（Append Only File）日志和 RDB 快照，这次聊的是AOF。

一、AOF 日志是如何实现的？

说到日志，比较熟悉的是数据库的写前日志（Write Ahead Log, WAL），也就是说，在实际写数据前，先把修改的数据记到日志文件中，以便故障时进行恢复。

不过，AOF 日志正好相反，它是写后日志，“写后”的意思是 Redis 是先执行命令，把数据写入内存，然后才记录日志，如下图所示：

那 AOF 为什么要先执行命令再记日志呢？

要回答这个问题，我们要先知道 AOF 里记录了什么内容。

传统数据库的日志，例如 redo log（重做日志），记录的是修改后的数据，而 AOF 里记录的是 Redis 收到的每一条命令，这些命令是以文本形式保存的。

以 Redis 收到“set testkey testvalue”命令后记录的日志为例，看看 AOF 日志的内容。

其中，“*3”表示当前命令有三个部分，每部分都是由“$+数字”开头，后面紧跟着具体的命令、键或值。

这里，“数字”表示这部分中的命令、键或值一共有多少字节。

例如，“$3 set”表示这部分有 3 个字节，也就是“set”命令。

但是，为了避免额外的检查开销，Redis 在向 AOF 里面记录日志的时候，并不会先去对这些命令进行语法检查。

所以，如果先记日志再执行命令的话，日志中就有可能记录了错误的命令，Redis 在使用日志恢复数据时，就可能会出错。

而写后日志这种方式，就是先让系统执行命令，只有命令能执行成功，才会被记录到日志中，否则，系统就会直接向客户端报错。

所以，Redis 使用写后日志这一方式的一大好处是，可以避免出现记录错误命令的情况。

除此之外，AOF 还有一个好处：它是在命令执行后才记录日志，所以不会阻塞当前的写操作。

不过，AOF 也有两个潜在的风险。

• 首先，如果刚执行完一个命令，还没有来得及记日志就宕机了，那么这个命令和相应的数据就有丢失的风险。如果此时 Redis 是用作缓存，还可以从后端数据库重新读入数据进行恢复，但是，如果 Redis 是直接用作数据库的话，此时，因为命令没有记入日志，所以就无法用日志进行恢复了。
• 其次，AOF 虽然避免了对当前命令的阻塞，但可能会给下一个操作带来阻塞风险。这是因为，AOF 日志也是在主线程中执行的，如果在把日志文件写入磁盘时，磁盘写压力大，就会导致写盘很慢，进而导致后续的操作也无法执行了。

这两个风险都是和 AOF 写回磁盘的时机相关的。

这也就意味着，如果能够控制一个写命令执行完后 AOF 日志写回磁盘的时机，这两个风险就解除了。

二、3种写回策略

其实，对于这个问题，AOF 机制给我们提供了三个选择，也就是 AOF 配置项 appendfsync 的三个可选值。

• Always，同步写回：每个写命令执行完，立马同步地将日志写回磁盘；
• Everysec，每秒写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，每隔一秒把缓冲区中的内容写入磁盘；
• No，操作系统控制的写回：每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘。

针对避免主线程阻塞和减少数据丢失问题，这三种写回策略都无法做到两全其美。我们来分析下其中的原因。

• “同步写回”可以做到基本不丢数据，但是它在每一个写命令后都有一个慢速的落盘操作，不可避免地会影响主线程性能；
• 虽然“操作系统控制的写回”在写完缓冲区后，就可以继续执行后续的命令，但是落盘的时机已经不在 Redis 手中了，只要 AOF 记录没有写回磁盘，一旦宕机对应的数据就丢失了；
• “每秒写回”采用一秒写回一次的频率，避免了“同步写回”的性能开销，虽然减少了对系统性能的影响，但是如果发生宕机，上一秒内未落盘的命令操作仍然会丢失。所以，这只能算是，在避免影响主线程性能和避免数据丢失两者间取了个折中。

这三种策略的写回时机，以及优缺点汇总在了一张表格里。

总结一下就是：想要获得高性能，就选择 No 策略；

如果想要得到高可靠性保证，就选择 Always 策略；

如果允许数据有一点丢失，又希望性能别受太大影响的话，那么就选择 Everysec 策略。

但是，按照系统的性能需求选定了写回策略，并不是“高枕无忧”了。

毕竟，AOF 是以文件的形式在记录接收到的所有写命令。随着接收的写命令越来越多，AOF 文件会越来越大。这也就意味着，一定要小心 AOF 文件过大带来的性能问题。

这里的“性能问题”，主要在于以下三个方面：

• 一是，文件系统本身对文件大小有限制，无法保存过大的文件；
• 二是，如果文件太大，之后再往里面追加命令记录的话，效率也会变低；
• 三是，如果发生宕机，AOF 中记录的命令要一个个被重新执行，用于故障恢复，如果日志文件太大，整个恢复过程就会非常缓慢，这就会影响到 Redis 的正常使用。

所以，我们就要采取一定的控制手段，这个时候，AOF 重写机制就登场了。

三、Aof重写机制

日志文件太大了怎么办？

简单来说，AOF 重写机制就是在重写时，Redis 根据数据库的现状创建一个新的 AOF 文件，也就是说，读取数据库中的所有键值对，然后对每一个键值对用一条命令记录它的写入。比如说，当读取了键值对“testkey”: “testvalue”之后，重写机制会记录 set testkey testvalue 这条命令。

这样，当需要恢复时，可以重新执行该命令，实现“testkey”: “testvalue”的写入。为什么重写机制可以把日志文件变小呢? 实际上，重写机制具有“多变一”功能。

所谓的“多变一”，也就是说，旧日志文件中的多条命令，在重写后的新日志中变成了一条命令。

AOF 文件是以追加的方式，逐一记录接收到的写命令的。

当一个键值对被多条写命令反复修改时，AOF 文件会记录相应的多条命令。

但是，在重写的时候，是根据这个键值对当前的最新状态，为它生成对应的写入命令。

这样一来，一个键值对在重写日志中只用一条命令就行了，而且，在日志恢复时，只用执行这条命令，就可以直接完成这个键值对的写入了。下面这张图就是一个例子：

当对一个列表先后做了 6 次修改操作后，列表的最后状态是[“D”, “C”, “N”]，此时，只用 LPUSH u:list “N”, “C”, "D"这一条命令就能实现该数据的恢复，这就节省了五条命令的空间。

对于被修改过成百上千次的键值对来说，重写能节省的空间当然就更大了。

不过，虽然 AOF 重写后，日志文件会缩小，但是，要把整个数据库的最新数据的操作日志都写回磁盘，仍然是一个非常耗时的过程。

这时，要继续关注另一个问题了：重写会不会阻塞主线程？

四、AOF 重写会阻塞吗?

和 AOF 日志由主线程写回不同，重写过程是由后台子进程 bgrewriteaof 来完成的，这也是为了避免阻塞主线程，导致数据库性能下降。

把重写的过程总结为“一个拷贝，两处日志”。

“一个拷贝”就是指，每次执行重写时，主线程 fork 出后台的 bgrewriteaof 子进程。此时，fork 会把主线程的内存拷贝一份给 bgrewriteaof 子进程，这里面就包含了数据库的最新数据。然后，bgrewriteaof 子进程就可以在不影响主线程的情况下，逐一把拷贝的数据写成操作，记入重写日志。

“两处日志”又是什么呢？因为主线程未阻塞，仍然可以处理新来的操作。

• 如果有写操作，第一处日志就是指正在使用的 AOF 日志，Redis 会把这个操作写到它的缓冲区。这样一来，即使宕机了，这个 AOF 日志的操作仍然是齐全的，可以用于恢复。
• 第二处日志，就是指新的 AOF 重写日志。这个操作也会被写到重写日志的缓冲区。这样，重写日志也不会丢失最新的操作。等到拷贝数据的所有操作记录重写完成后，重写日志记录的这些最新操作也会写入新的 AOF 文件，以保证数据库最新状态的记录。

此时，我们就可以用新的 AOF 文件替代旧文件了。

总结来说，每次 AOF 重写时，Redis 会先执行一个内存拷贝，用于重写；

然后，使用两个日志保证在重写过程中，新写入的数据不会丢失。

而且，因为 Redis 采用额外的线程进行数据重写，所以，这个过程并不会阻塞主线程。

五、总结

Redis 用于避免数据丢失的 AOF 方法。

这个方法通过逐一记录操作命令，在恢复时再逐一执行命令的方式，保证了数据的可靠性。

这个方法看似“简单”，但也是充分考虑了对 Redis 性能的影响。

总结来说，它提供了 AOF 日志的三种写回策略，分别是 Always、Everysec 和 No，这三种策略在可靠性上是从高到低，而在性能上则是从低到高。

为了避免日志文件过大，Redis 还提供了 AOF 重写机制，直接根据数据库里数据的最新状态，生成这些数据的插入命令，作为新日志。

这个过程通过后台线程完成，避免了对主线程的阻塞。

其中，三种写回策略体现了系统设计中的一个重要原则 ，即 trade-off，或者称为“取舍”，指的就是在性能和可靠性保证之间做取舍。

我认为，这是做系统设计和开发的一个关键哲学，我也非常希望，你能充分地理解这个原则，并在日常开发中加以应用。不过，你可能也注意到了，落盘时机和重写机制都是在“记日志”这一过程中发挥作用的。

例如，落盘时机的选择可以避免记日志时阻塞主线程，重写可以避免日志文件过大。但是，在“用日志”的过程中，也就是使用 AOF 进行故障恢复时，我们仍然需要把所有的操作记录都运行一遍。再加上 Redis 的单线程设计，这些命令操作只能一条一条按顺序执行，这个“重放”的过程就会很慢了。

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AOF 日志重写的时候，是由 bgrewriteaof 子进程来完成的，不用主线程参与，非阻塞也是指子进程的执行不阻塞主线程。但是，这个重写过程有没有其他潜在的阻塞风险呢？如果有的话，会在哪里阻塞？

• a、fork子进程，fork这个瞬间一定是会阻塞主线程的（注意，fork时并不会一次性拷贝所有内存数据给子进程，老师文章写的是拷贝所有内存数据给子进程，我个人认为是有歧义的），fork采用操作系统提供的写实复制(Copy On Write)机制，就是为了避免一次性拷贝大量内存数据给子进程造成的长时间阻塞问题，但fork子进程需要拷贝进程必要的数据结构，其中有一项就是拷贝内存页表（虚拟内存和物理内存的映射索引表），这个拷贝过程会消耗大量CPU资源，拷贝完成之前整个进程是会阻塞的，阻塞时间取决于整个实例的内存大小，实例越大，内存页表越大，fork阻塞时间越久。拷贝内存页表完成后，子进程与父进程指向相同的内存地址空间，也就是说此时虽然产生了子进程，但是并没有申请与父进程相同的内存大小。那什么时候父子进程才会真正内存分离呢？“写实复制”顾名思义，就是在写发生时，才真正拷贝内存真正的数据，这个过程中，父进程也可能会产生阻塞的风险，就是下面介绍的场景。
• b、fork出的子进程指向与父进程相同的内存地址空间，此时子进程就可以执行AOF重写，把内存中的所有数据写入到AOF文件中。但是此时父进程依旧是会有流量写入的，如果父进程操作的是一个已经存在的key，那么这个时候父进程就会真正拷贝这个key对应的内存数据，申请新的内存空间，这样逐渐地，父子进程内存数据开始分离，父子进程逐渐拥有各自独立的内存空间。因为内存分配是以页为单位进行分配的，默认4k，如果父进程此时操作的是一个bigkey，重新申请大块内存耗时会变长，可能会产阻塞风险。另外，如果操作系统开启了内存大页机制(Huge Page，页面大小2M)，那么父进程申请内存时阻塞的概率将会大大提高，所以在Redis机器上需要关闭Huge Page机制。Redis每次fork生成RDB或AOF重写完成后，都可以在Redis log中看到父进程重新申请了多大的内存空间。

AOF 重写也有一个重写日志，为什么它不共享使用 AOF 本身的日志呢？

• 一个原因是父子进程写同一个文件必然会产生竞争问题，控制竞争就意味着会影响父进程的性能。
• 二是如果AOF重写过程中失败了，那么原本的AOF文件相当于被污染了，无法做恢复使用。所以Redis AOF重写一个新文件，重写失败的话，直接删除这个文件就好了，不会对原先的AOF文件产生影响。等重写完成之后，直接替换旧文件即可。

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