Redis持久化——AOF

Posted 2020-10-22 明王不动心

核心知识点：

1.AOF：以独立日志的方式记录写命令，重启时再执行命令。与RDB不同的是解决数据持久化的实时性，可以记录所有写操作。

2.AOF工作流程：写入命令、文件同步、文件重写、文件加载。

3.命令写入

　　a.将命令以文本协议格式保存在缓存中。

　　b.为什么使用文本协议格式？兼容性、避免二次开销、可读性。

　　c.为什么写入到缓存？这样不会受制于磁盘的IO性能

4.文件同步：从内存同步到文件中，有三种机制，使用的系统命令是write或fsync。

　　（1）.write会触发写延迟，依赖系统的调度机制。fsync会造成阻塞。

　　（2）a.alway：每次写入都要同步write+fsync，严重影响系统性能。

　　　　  b.no：文件同步由操作系统负责，数据安全性无法得到保证。

　　　　  c.everysec：:进行write操作后，调用专门的线程进行fsync同步操作

5.文件重写：可以减少文件的占用空间，达到压缩的目的。

　　为什么可以压缩？

　　a.超时数据不写入

　　b.无效命令不写入

　　c.部分命令可以合并

6.重启加载：服务器重启时用户恢复数据。优先加载AOF文件

7.文件校验

　　

 

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。

1.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。

保存路劲同RDB持久化方式一致，通过dir配置设定。

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）。

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。

下面会对真个流程的各个部分进行讲解。

 

2.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
#如果看的不太清除，可以分隔以下
* 3\\r\\n  $3\\r\\nset  \\r\\n $5\\r\\nhello \\r\\n $5\\r\\nworld\\r\\n

下面解决两个疑惑：

（1）AOF为什么直接采用文本协议模式？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。

（2）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。

 

3.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，不同值得含义如下所示：

系统调用write和fsync说明：

write操作会触发延迟写（delayed write）机制。Linux在内核提供页面缓冲区用来提高硬盘IO性能。

write操作在写入系统缓存区后直接返回。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。

除了write、fsync、Linux还提供sync、fdatasync操作。

（1）配置为always时，每次写入都要同步AOF文件，在一般的SATA硬件上，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。

（2）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。

（3）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。

 

4.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在写入文件。

（2）旧的AOF文件含有无效命令，如del key1、hdel key2、srem keys、set a 111等。

　　重写使用进程内数据直接生成，这样新的AOF文件只保留最终的数据写入命令。

（3）多条写入命令可以合并为一个，如：lpush list a、lpush list b可以转化为：lpush list a b。

　　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等类型操作，以64个元素为边界拆分为多条。

 

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文件可以更快的被Redis加载。

AOF重写过程可以手动触发和自动触发：

（1）手动触发：直接调用bgrewriteaof命令。

（2）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。

当AOF重写时，内部的运行流程如下：

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，继续响应其它命令。

　　所有修改命令依然写入AOF文件缓冲区并根据appendfsync策略同步到磁盘，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，防止新的AOF文件生成期间丢失这部分数据。

4）子进程依据内存快照，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。

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）使用新的AOF文件替换老的AOF文件，完成AOF重写。

 

5.重启加载

AOF和RDB文件都可以用于服务器重启时的数据恢复。下面展示Redis持久化文件加载流程：

流程说明：

1）AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件。

2）AOF关闭或者AOF文件不存在时，加载RDB文件。

3）加载AOF/RDB文件成功后，Redis启动成功。

4）AOF/RDB文件存在错误时，Redis启动失败并打印错误信息。

 

6.文件校验

加载损坏的AOF文件会拒绝启动，并打印错误信息。

注意：对于错误格式的AOF文件，先进性备份，然后采用redis-check-aof --fix命令进行修复，

　　修复后使用diff -u对比数据差异，找到丢失的数据，有些可以进行人工补全。

 

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为我们提高了aof-load-truncated配置来兼容这种情况，默认开启。

加载AOF时，遇到此问题时会忽略并启动，同时打印警告信息。