Redis数据库系列Redis持久化

Posted 2021-05-21 一宿君

第三章、Redis持久化

学习目标

 持久化简介
 RDB
 AOF
 RDB与AOF区别
 持久化应用场景

3.1、持久化简介

• 什么是持久化？

  利用永久性存储介质将数据进行保存，在特定的时间将保存的数据进行恢复的工作机制称为持久化。

• 为什么要进行持久化？

  防止数据的意外丢失，保证数据的安全性。

• Redis持久化

  通常Redis将数据存储在内存中。
  Redis实现数据持久化的方式有两种：
  1.RDB：全量持久化，使用快照的方式，保存某个时间点的全量数据，将内存中的数据不断写入磁盘。
  2.AOF：增量持久化，使用类似于mysql的binlog日志方式，记录每次更新操作的日志。

• 两种方式的优缺点：

  RDB快照方式少量数据性能较高，但是如果数据量非常大会引起I/O的读取效率，可能会导致一定程度的数据丢失，也就是可能会丢失从当前至最近一次快照之间的数据。
  RDB 优点： 全量数据快照，文件小，恢复快
  RDB 缺点： 无法保证最近一次快照后的数据
  AOF 优点： 可读性较高，适合保存增量数据，数据不易丢失
  AOF 缺点： 文件体积大，恢复时间长，读取效率低

3.2、RDB

RDB启动方式 —— save指令和bgsave指令

• 命令

  #会暂时占用服务器，其他客户端执行的命令无法操作（基本弃用）
  save
  #不会占用服务器，会创建一个子进程，相当于在后台进行数据保存，不影响其他客户端的操作
  bgsave
  

• 作用
  手动执行一次保存操作。

3.2.1、RDB启动方式 —— save指令相关配置

• 在conf配置文件中

• dbfilename dump.rdb

  说明：设置本地数据库文件名，默认值为 dump.rdb
  经验：通常设置为dump-端口号.rdb
  
  

• dir

  说明：设置存储.rdb文件的路径，默认为dir ./
  经验：通常设置成存储空间较大的目录中，目录名称data

• rdbcompression yes

  说明：设置存储至本地数据库时是否压缩数据，默认为 yes，采用 LZF 压缩
  经验：
  通常默认为开启状态yes：如果设置为no，可以节省 CPU 运行时间，但会使存储的文件变大（巨大）,
  当然设置成 no也有好处 ：比较Redis本身属于CPU密集型服务器，在开启压缩会带来更多的CPU消化，相比硬盘成本，CPU更值钱

• rdbchecksum yes

  说明：设置是否进行RDB文件格式校验，该校验过程在写文件和读文件过程均进行
  经验：通常默认为开启状态，如果设置为no，可以节约读写性过程约10%时间消耗，但是存储一定的数据损坏风险

  切记修改配置文件后要重启服务器才会生效。

3.3、RDB启动方式 —— save指令和bgsave的区别

3.3.1、RDB启动方式 —— save指令工作原理

• save：会阻塞Redis服务器进程，直到RDB文件创建完毕
  eg:如下图所示：
  
  注意：save指令的执行会阻塞当前Redis服务器，直到当前RDB过程完成为止，有可能会造成长时间阻塞，线上环境不建议使用。
  数据量过大，单线程执行方式造成效率过低如何处理？因此就想到了后台运行。

3.3.2、RDB启动方式 —— bgsave指令工作原理(子进程)

• bgsave：（Background saving started）fork即分叉出一个子进程来创建RDB文件，在后台运行，不阻塞主服务器进程。
  
  看如下图bgsave原理详解：
  
  bgsave 命令大概有以下几个步骤：

  1、执行 bgsave 命令，Redis 主进程判断当前是否存在正在执行的 RDB/AOF 子进程，如果存在， bgsave 命令直接返回不在往下执行。

  2、父进程调用 fork函数 创建子进程，fork 操作过程中暂时被占用阻塞(当然这个过程会很快)，fork操作 完成后返回，bgsave命令返回”Background saving started”信息不再阻塞父进程，父进程可以继续响应其他客户端的任何命令。

  3、子进程创建新的 RDB 文件，基于父进程当前内存数据生成临时快照文件，完成后用新的 RDB 文件替换原有的 RDB 文件，并且给父进程发送 RDB 快照生成完毕通知。

• stop-writes-on-bgsave-error yes

  说明：后台存储过程中如果出现错误现象，是否停止保存操作
  经验：通常默认为开启状态
  这个时候，任意一个客户端执行bgsave命令后，就会创建一个子进程，进行数据保存，不占用主服务器，其他客户端也可以同时进行任意操作。
  
  注意： bgsave命令是针对save阻塞问题做的优化。Redis内部所有涉及到RDB操作都采用bgsave的方式，save命令可以放弃使用。

3.3.3、RDB启动方式——反复执行保存指令，不知道数据产生了多少变化，何时保存？

• RDB启动方式 ——save配置

• 配置

  save second changes
  

• 作用
  满足限定时间范围内key的变化数量达到指定数量即进行持久化

• 参数
  second：监控时间范围
  changes：监控key的变化量

• 位置
  在conf文件中进行配置

• 范例

  在redis.windows.conf配置文件中，
  #此处虽然是save命令，但是底层是利用bgsave进行数据保存的
  save 900 1 #表示900 秒内如果至少有 1 个 key 的值变化，则保存
  save 300 10 #表示300 秒内如果至少有 10 个 key 的值变化，则保存
  save 60 10000 #表示60 秒内如果至少有 10000 个 key 的值变化，则保存

• RDB启动方式 ——save配置原理
  

  注意:
  save配置要根据实际业务情况进行设置，频度过高或过低都会出现性能问题，结果可能是灾难性的
  save配置中对于second与changes设置通常具有互补对应关系，尽量不要设置成包含性关系 save配置启动后执行的是bgsave操作

3.3.4、RDB两种启动方式的对比

方式	save指令	bgsave
读写	同步	异步
阻塞客户端指令	是	否
额外内存消耗	否	是
启动新进程	否	是

3.3.5、RDB特殊启动方式

• 全量复制
  在主从复制的基本原理中详解，了解主从复制

• 服务器运行过程中重启

  debug reload
  

• 关闭服务器时指定保存数据

  shutdown save
  

  默认情况下执行shutdown命令时，自动执行
  bgsave(如果没有开启AOF持久化功能)

3.3.6、RDB的优缺点

• RDB优点

   RDB是一个紧凑压缩的二进制文件，存储效率较高
   RDB内部存储的是redis在某个时间点的数据快照，非常适合用于数据备份，全量复制等场景
   RDB恢复数据的速度要比AOF快很多
   应用：服务器中每X小时执行bgsave备份，并将RDB文件拷贝到远程机器中，用于灾难恢复。

• RDB缺点

   RDB方式无论是执行指令还是利用配置，无法做到实时持久化，具有较大的可能性丢失数据
   bgsave指令每次运行要执行fork操作创建子进程，要牺牲掉一些性能
   Redis的众多版本中未进行RDB文件格式的版本统一，有可能出现各版本服务之间数据格式无法兼容现象

3.4、AOF

• 基于RDB的弊端

   存储数据量较大，效率较低
   基于快照思想，每次读写都是全部数据，当数据量巨大时，效率非常低
   大数据量下的IO性能较低
   基于fork创建子进程，内存产生额外消耗
   宕机带来的数据丢失风险

• 解决思路

   不写全数据，仅记录部分数据
   降低区分数据是否改变的难度，改记录数据为记录操作过程
   对所有操作均进行记录，排除丢失数据的风险

3.4.1、AOF概念

• 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文件中命令达到恢复数据的目的。与RDB相比可以简单描述为该记录数据为记录数据产生的过程

• 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，当然RDB仍然有其用武之地。

3.4.2、AOF持久化流程

• 在AOF持久化写入数据的过程中有两个非常重要的操作：

  一：是将操作命令以append的方式追加到 AOF_BUF 缓存区中；
  二：是 将AOF_BUF缓存区数据同步到 AOF 文件中（即appendonly-6379.aof）。

• AOF持久化流程图：
  
• 对应如下图所示：
  
• AOF持久化流程简介：
  1、所有的写入命令追加到aof缓冲区
  2、AOF缓冲区根据对应appendfsync配置向硬盘做同步操作
  3、定期对AOF文件进行重写
  4、Redis重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复

3.4.3、开启AOF功能

• 配置

  appendonly yes|no
  

• 作用

  是否开启AOF持久化功能，默认为不开启状态

• AOF三种写数据策略

  appendfsync always | everysec | no

• always(每次）

  每次写入操作均同步到AOF文件中，数据零误差，性能较低，不建议使用。

• everysec（每秒）

  每秒将缓冲区中的指令同步到AOF文件中，数据准确性较高，性能较高，建议使用，也是默认配置，在系统突然宕机的情况下丢失1秒内的数据

• no（系统控制）

  由操作系统控制每次同步到AOF文件的周期，整体过程不可控

• Redis 默认并没有开启 AOF 持久化方式，需要我们自行开启，在 conf 配置文件中将 appendonly no 调整为 appendonly yes，这样就开启了 AOF 持久化，与 RDB 不同的是 AOF 是以记录操作命令的形式来持久化数据的。

  
  
  

3.4.4、AOF重写机制压缩文件体积

• 随着命令不断写入AOF文件，文件会越来越大，为了解决这个问题，Redis引入了AOF重写机制压缩文件体积。
• AOF文件重写是将Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件的过程。简单说就是将对同一个数据的若干个条命令执行结果转化成最终结果数据对应的指令进行记录。
• AOF重写作用

   降低磁盘占用量，提高磁盘利用率
   提高持久化效率，降低持久化写时间，提高IO性能
   降低数据恢复时长，提高数据恢复效率

• 压缩原理及过程
  

  也就是说，我们只需要最终结果就可以了，繁琐的修改过程可以忽略不计。

3.4.5、AOF重写规则

• 进程内已超时的数据不再写入文件

• 忽略无效指令，重写时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

  如：del key1、 hdel key2、srem key3、set key4 111、set key4 222等

• 对同一数据的多条写命令合并为一条命令

  如lpush list1 a、lpush list1 b、 lpush list1 c 可以转化为：lpush list1 a b c。

• 为防止数据量过大造成客户端缓冲区溢出，对list、set、hash、zset等类型，每条指令最多写入64个元素

3.4.6、AOF写入方式

• 手动重写

  bgrewriteaof
  

• 自动重写

  auto-aof-rewrite-min-size size
  auto-aof-rewrite-percentage percentage
  

• auto-aof-rewrite-percentage

  aof文件增长比例，指当前aof文件比上次重写的增长比例大小。aof重写即在aof文件在一定大小之后，重新将整个内存写到aof文件当中，以反映最新的状态(相当于bgsave)。这样就避免了，aof文件过大而实际内存数据小的问题(频繁修改数据问题).

• auto-aof-rewrite-min-size

  aof文件重写最小的文件大小，即最开始aof文件必须要达到这个文件时才触发，后面的每次重写就不会根据这个变量了(根据上一次重写完成之后的大小).此变量仅初始化启动redis有效.如果是redis恢复时，则lastSize等于初始aof文件大小.

  
  

3.4.7、AOF两种写数据策略流程图

3.4.8、AOF重写流程图

3.4.9、AOF

• AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制
• 系统调用write和fsync说明：

  1、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。
  2、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。
  除了write、fsync、Linx还提供了sync、fdatasync操作，具体API说明参见：

3.5、RDB与AOF区别

持久化方式	RDB	AOF
占用存储空间	小(数据级：压缩)	大(指令级:重写)
存储速度	慢	快
恢复速度	快	慢
数据安全性	会丢失数据	依据策略决定
资源消耗	高/重量级	低/轻量级
启动优先级	低	高

3.5.1、RDB和AOF的选择之惑

• 对数据非常敏感，建议使用默认的AOF持久化方案

   AOF持久化策略使用everysecond，每秒钟fsync一次。该策略redis仍可以保持很好的处理性能，当出现问题时，最多丢失0-1秒内的数据。
   注意：由于AOF文件存储体积较大，所以恢复速度较慢。

• 数据呈现阶段有效性，建议使用RDB持久化方案

   数据可以良好的做到阶段内无丢失（该阶段是开发者或运维人员手工维护的），且恢复速度较快，阶段的数据恢复通常采用RDB方案
   注意：利用RDB实现紧凑的数据持久化会使Redis效率降的很低，慎重选择。

• 综合比对

   RDB与AOF的选择实际上是在做一种权衡，每种都有利有弊
   如不能承受数分钟以内的数据丢失，对业务数据非常敏感，选用AOF
   如能承受数分钟以内的数据丢失，且追求大数据集的恢复速度，选用RDB
   灾难性恢复选用RDB
   双保险策略，同时开启 RDB 和 AOF，重启后，Redis优先使用 AOF 来恢复数据，降低丢失数据的量