Redis之RDB与AOF

Posted 2020-12-31 长城之上是千亿的星空，星空之上是不灭的守望。

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文件即可实现数据恢复。

1. RDB
RDB持久化是把当前进程数据生成快照保存到硬盘的过程，触发RDB持久化过程分为手动触发和自动触发。

1.1.1 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，知道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，先上环境不建议使用。运行save命令对应Redis日志如下：
DB saved on disk

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，一段时间很短。运行bgsave名字对应的Redis日志如下：
Background saving started by pid 3152
DB saved on disk
RDB: 0MB of memory userd by copy-on-write
Background saving terminated with success

bgsave命令是针对save阻塞问题做的优化。因此Redis内部所有涉及到RDB操作都采用bgsave的方式，而save命令已经废弃。

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秒之内数据集存在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。

1.1.2 bgsave流程说明
bgsave是主流的触发RDB持久化方式，下图是运作流程
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，如只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以操作的耗时，单位为微秒。
3) 父进程仍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尺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衣示完成，父进程更新统计信息，具体见info Persistence下的rdb_*相关选项。

1.1.3 RDB文件处理
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 newDir 和 config set newFileName 运行期动态执行，当下次运行时RDB文件会保存到新目录。
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。
校验：如果Redis加载损坏的RDB文件时拒绝启动，并打印如下日志：
Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error , aborting now.

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

1.1.4 RDB的优缺点
RDB的优点:
RDB是一个紧凑压缩的二进制文件，代表Redis在某一个时间点上的数据快照。非常适合用于备份，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。
Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF方式。

RDB的缺点:
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。
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笨笨，存在老版本Redis服务无法兼容新版RDB格式的问题。
针对RDB不适合实时持久化的问题，Redis提供了AOF持久化方式来解决




2. 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。

2.1.1 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）,工作流程如下：

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服务重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复。了解AOF工作流程之后，下面针对每个步骤做详细介绍。

2.1.2 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：
\\r\\n$3\\r\\nset\\r\\n$5\\r\\nhello\\r\\n$5\\r\\nworld\\r\\n

介绍关于AOF的连个疑惑：
1） 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。

2.1.3 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，不同值的含义如表所示

系统调用writ和fsync说明：

write操作会处罚延迟写（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，列如：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将阻塞知道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：http://linux.die.net/man/2/write
配置为always时，每次写入都要同步AOF文件，在一般的STAT硬盘上，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。
配置为no,由于操作系统每次同步AOF文件的周期不可控，而且会极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1s的数据。（严格来说最多丢失1s数据是不准确）

2.1.4 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引入了AOF重写机制压缩文件体积。AOF文件重写是吧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文件为什么可以变下？有如下原因：
1）进程内已经超时的数据不再写文件。
2）旧的AOF文件含有无效命令，如del key1、 hdel key2、srem keys、set a 111、set a 222等。重写使用进程内数据直接生成，这样新的AOF文件只保留最终数据的写入命令。
3）多条写命令可以合并为一个，如lpush list a、lpush list b、 lpush list c 可以转化为：lpush list a b c。
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：更具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可以再info Persistence统计信息中查看。
当触发AOF重写时，内部做了那些事？下面结合图介绍它的运行流程：

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，请求不执行并返回如下响应:

ERR Background append only file rewriting already in progress
如果当前进程正在执行bgsave操作，重写命令延迟到bgsave完成后再执行，返回如下响应：
Background append only file rewriting scheduled

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缓冲区并更具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文件替换老文件，完成AOF重写。

2.1.5  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。Redis持久化文件加载流程说明：

1） AOF持久化开启且存在AOF文件时，优先加载AOF文件，打印如下日志：
DB loaded from append only file: 5.841 seconds

2） AOF关闭或者AOF文件不存在时，加载RDB文件，打印如下日志：
DB loaded from disk:5.586 seconds

3） 加载AOF/RDB文件城后，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