Redis中持久化原理是什么

这篇文章将为大家详细讲解有关Redis中持久化原理是什么，小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获。Redis持久化机制：## 写在前面Redis是一个内存数据库，所有的数据将保存在内存中，这与传统的MySQL、Oracle、SqlServer等关系型数据库直接把数据保存到硬盘相比，Redis的读写效率非常高。但是保存在内存中也有一个很大的缺陷，一旦断电或者宕机，内存数据库中的内容将会全部丢失。为了弥补这一缺陷，Redis提供了把内存数据持久化到硬盘文件，以及通过备份文件来恢复数据的功能，即Redis持久化机制。Redis支持两种方式的持久化：RDB快照和AOF。RDB快照用官方的话来说：RDB持久化方案是按照指定时间间隔对你的数据集生成的时间点快照（point-to-time snapshot）。它以紧缩的二进制文件保存Redis数据库某一时刻所有数据对象的内存快照，可用于Redis的数据备份、转移与恢复。到目前为止，仍是官方的默认支持方案。既然说RDB是Redis中数据集的时间点快照，那我们先简单了解一下Redis内的数据对象在内存中是如何存储与组织的。默认情况下，Redis中有16个数据库，编号从0-15，每个Redis数据库使用一个redisDb对象来表示，redisDb使用hashtable存储K-V对象。为方便理解，我以其中一个db为例绘制Redis内部数据的存储结构示意图。
时间点快照也就是某一时刻Redis内每个DB中每个数据对象的状态，先假设在这一时刻所有的数据对象不再改变，我们就可以按照上图中的数据结构关系，把这些数据对象依次读取出来并写入到文件中，以此实现Redis的持久化。然后，当Redis重启时按照规则读取这个文件中的内容，再写入到Redis内存即可恢复至持久化时的状态。当然，这个前提时我们上面的假设成立，否则面对一个时刻变化的数据集，我们无从下手。我们知道Redis中客户端命令处理是单线程模型，如果把持久化作为一个命令处理，那数据集肯定时处于静止状态。另外，操作系统提供的fork()函数创建的子进程可获得与父进程一致的内存数据，相当于获取了内存数据副本；fork完成后，父进程该干嘛干嘛，持久化状态的工作交给子进程就行了。很显然，第一种情况不可取，持久化备份会导致短时间内Redis服务不可用，这对于高HA的系统来讲是无法容忍的。所以，第二种方式是RDB持久化的主要实践方式。由于fork子进程后，父进程数据一直在变化，子进程并不与父进程同步，RDB持久化必然无法保证实时性；RDB持久化完成后发生断电或宕机，会导致部分数据丢失；备份频率决定了丢失数据量的大小，提高备份频率，意味着fork过程消耗较多的CPU资源，也会导致较大的磁盘I/O。在Redis内完成RDB持久化的方法有rdbSave和rdbSaveBackground两个函数方法（源码文件rdb.c中），先简单说下两者差别：rdbSave：是同步执行的，方法调用后就会立刻启动持久化流程。由于Redis是单线程模型，持久化过程中会阻塞，Redis无法对外提供服务；rdbSaveBackground：是后台（异步）执行的，该方法会fork出子进程，真正的持久化过程是在子进程中执行的（调用rdbSave），主进程会继续提供服务；RDB持久化的触发必然离不开以上两个方法，触发的方式分为手动和自动。手动触发容易理解，是指我们通过Redis客户端人为的对Redis服务端发起持久化备份指令，然后Redis服务端开始执行持久化流程，这里的指令有save和bgsave。自动触发是Redis根据自身运行要求，在满足预设条件时自动触发的持久化流程，自动触发的场景有如下几个（摘自这篇文章）：serverCron中save m n配置规则自动触发；从节点全量复制时，主节点发送rdb文件给从节点完成复制操作，主节点会出发bgsave；执行debug reload命令重新加载redis时；默认情况下（未开启AOF）执行shutdown命令时，自动执行bgsave；结合源码及参考文章，我整理了RDB持久化流程来帮助大家有个整体的了解，然后再从一些细节进行说明。

从上图可以知道：自动触发的RDB持久化是通过rdbSaveBackground以子进程方式执行的持久化策略；手动触发是以客户端命令方式触发的，包含save和bgsave两个命令，其中save命令是在Redis的命令处理线程以阻塞的方式调用rdbSave方法完成的。自动触发流程是一个完整的链路，涵盖了rdbSaveBackground、rdbSave等，接下来我以serverCron为例分析一下整个流程。serverCron是Redis内的一个周期性函数，每隔100毫秒执行一次，它的其中一项工作就是：根据配置文件中save规则来判断当前需要进行自动持久化流程，如果满足条件则尝试开始持久化。了解一下这部分的实现。在redisServer中有几个与RDB持久化有关的字段，我从代码中摘出来，中英文对照着看下：saveparams对应redis.conf下的save规则，save参数是Redis触发自动备份的触发策略，seconds为统计时间（单位：秒）， changes为在统计时间内发生写入的次数。save m n的意思是：m秒内有n条写入就触发一次快照，即备份一次。save参数可以配置多组，满足在不同条件的备份要求。如果需要关闭RDB的自动备份策略，可以使用save ""。以下为几种配置的说明：serverCron对RDB save规则的检测代码如下所示：如果没有后台的RDB持久化或AOF重写进程，serverCron会根据以上配置及状态判断是否需要执行持久化操作，判断依据就是看lastsave、dirty是否满足saveparams数组中的其中一个条件。如果有一个条件匹配，则调用rdbSaveBackground方法，执行异步持久化流程。rdbSaveBackground是RDB持久化的辅助性方法，主要工作是fork子进程，然后根据调用方（父进程或者子进程）不同，有两种不同的执行逻辑。如果调用方是父进程，则fork出子进程，保存子进程信息后直接返回。如果调用方是子进程则调用rdbSave执行RDB持久化逻辑，持久化完成后退出子进程。rdbSave是真正执行持久化的方法，它在执行时存在大量的I/O、计算操作，耗时、CPU占用较大，在Redis的单线程模型中持久化过程会持续占用线程资源，进而导致Redis无法提供其他服务。为了解决这一问题Redis在rdbSaveBackground中fork出子进程，由子进程完成持久化工作，避免了占用父进程过多的资源。需要注意的是，如果父进程内存占用过大，fork过程会比较耗时，在这个过程中父进程无法对外提供服务；另外，需要综合考虑计算机内存使用量，fork子进程后会占用双倍的内存资源，需要确保内存够用。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。Redis的rdbSave函数是真正进行RDB持久化的函数，流程、细节贼多，整体流程可以总结为：创建并打开临时文件、Redis内存数据写入临时文件、临时文件写入磁盘、临时文件重命名为正式RDB文件、更新持久化状态信息（dirty、lastsave）。其中“Redis内存数据写入临时文件”最为核心和复杂，写入过程直接体现了RDB文件的文件格式，本着一图胜千言的理念，我按照源码流程绘制了下图。

补充说明一下，上图右下角“遍历当前数据库的键值对并写入”这个环节会根据不同类型的Redis数据类型及底层数据结构采用不同的格式写入到RDB文件中，不再展开了。我觉得大家对整个过程有个直观的理解就好，这对于我们理解Redis内部的运作机制大有裨益。上一节我们知道RDB是一种时间点（point-to-time）快照，适合数据备份及灾难恢复，由于工作原理的“先天性缺陷”无法保证实时性持久化，这对于缓存丢失零容忍的系统来说是个硬伤，于是就有了AOF。AOF是Append Only File的缩写，它是Redis的完全持久化策略，从1.1版本开始支持；这里的file存储的是引起Redis数据修改的命令集合（比如：set/hset/del等），这些集合按照Redis Server的处理顺序追加到文件中。当重启Redis时，Redis就可以从头读取AOF中的指令并重放，进而恢复关闭前的数据状态。AOF持久化默认是关闭的，修改redis.conf以下信息并重启，即可开启AOF持久化功能。AOF本质是为了持久化，持久化对象是Redis内每一个key的状态，持久化的目的是为了在Reids发生故障重启后能够恢复至重启前或故障前的状态。相比于RDB，AOF采取的策略是按照执行顺序持久化每一条能够引起Redis中对象状态变更的命令，命令是有序的、有选择的。把aof文件转移至任何一台Redis Server，从头到尾按序重放这些命令即可恢复如初。举个例子：首先执行指令set number 0，然后随机调用incr number、get number 各5次，最后再执行一次get number ，我们得到的结果肯定是5。因为在这个过程中，能够引起number状态变更的只有set/incr类型的指令，并且它们执行的先后顺序是已知的，无论执行多少次get都不会影响number的状态。所以，保留所有set/incr命令并持久化至aof文件即可。按照aof的设计原理，aof文件中的内容应该是这样的（这里是假设，实际为RESP协议）：最本质的原理用“命令重放”四个字就可以概括。但是，考虑实际生产环境的复杂性及操作系统等方面的限制，Redis所要考虑的工作要比这个例子复杂的多：Redis Server启动后，aof文件一直在追加命令，文件会越来越大。文件越大，Redis重启后恢复耗时越久；文件太大，转移工作就越难；不加管理，可能撑爆硬盘。很显然，需要在合适的时机对文件进行精简。例子中的5条incr指令很明显的可以替换为为一条set命令，存在很大的压缩空间。众所周知，文件I/O是操作系统性能的短板，为了提高效率，文件系统设计了一套复杂的缓存机制，Redis操作命令的追加操作只是把数据写入了缓冲区（aof_buf），从缓冲区到写入物理文件在性能与安全之间权衡会有不同的选择。文件压缩即意味着重写，重写时即可依据已有的aof文件做命令整合，也可以先根据当前Redis内数据的状态做快照，再把存储快照过程中的新增的命令做追加。aof备份后的文件是为了恢复数据，结合aof文件的格式、完整性等因素，Redis也要设计一套完整的方案做支持。从流程上来看，AOF的工作原理可以概括为几个步骤：命令追加（append）、文件写入与同步（fsync）、文件重写（rewrite）、重启加载（load），接下来依次了解每个步骤的细节及背后的设计哲学。
当 AOF 持久化功能处于打开状态时，Redis 在执行完一个写命令之后，会以协议格式(也就是RESP，即 Redis 客户端和服务器交互的通信协议 )把被执行的写命令追加到 Redis 服务端维护的 AOF 缓冲区末尾。对AOF文件只有单线程的追加操作，没有seek等复杂的操作，即使断电或宕机也不存在文件损坏风险。另外，使用文本协议好处多多：文本协议有很好的兼容性；文本协议就是客户端的请求命令，不需要二次处理，节省了存储及加载时的处理开销；文本协议具有可读性，方便查看、修改等处理。AOF缓冲区类型为Redis自主设计的数据结构sds，Redis会根据命令的类型采用不同的方法（catAppendOnlyGenericCommand、catAppendOnlyExpireAtCommand等）对命令内容进行处理，最后写入缓冲区。需要注意的是：如果命令追加时正在进行AOF重写，这些命令还会追加到重写缓冲区（aof_rewrite_buffer）。AOF文件的写入与同步离不开操作系统的支持，开始介绍之前，我们需要补充一下Linux I/O缓冲区相关知识。硬盘I/O性能较差，文件读写速度远远比不上CPU的处理速度，如果每次文件写入都等待数据写入硬盘，会整体拉低操作系统的性能。为了解决这个问题，操作系统提供了延迟写（delayed write）机制来提高硬盘的I/O性能。
延迟写减少了磁盘读写次数，但是却降低了文件内容的更新速度，使得欲写到文件中的数据在一段时间内并没有写到磁盘上。当系统发生故障时，这种延迟可能造成文件更新内容的丢失。为了保证磁盘上实际文件系统与缓冲区高速缓存中内容的一致性，UNIX系统提供了sync、fsync和fdatasync三个函数为强制写入硬盘提供支持。Redis每次事件轮训结束前（beforeSleep）都会调用函数flushAppendOnlyFile，flushAppendOnlyFile会把AOF缓冲区（aof_buf）中的数据写入内核缓冲区，并且根据appendfsync配置来决定采用何种策略把内核缓冲区中的数据写入磁盘，即调用fsync()。该配置有三个可选项always、no、everysec，具体说明如下：always：每次都调用fsync()，是安全性最高、性能最差的一种策略。no：不会调用fsync()。性能最好，安全性最差。everysec：仅在满足同步条件时调用fsync()。这是官方建议的同步策略，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。注意：上面介绍的策略受配置项no-appendfsync-on-rewrite的影响，它的作用是告知Redis：AOF文件重写期间是否禁止调用fsync()，默认是no。如果appendfsync设置为always或everysec，后台正在进行的BGSAVE或者BGREWRITEAOF消耗过多的磁盘I/O，在某些Linux系统配置下，Redis对fsync()的调用可能阻塞很长时间。然而这个问题还没有修复，因为即使是在不同的线程中执行fsync()，同步写入操作也会被阻塞。为了缓解此问题，可以使用该选项，以防止在进行BGSAVE或BGREWRITEAOF时在主进程中调用fsync(）。设置为yes意味着，如果子进程正在进行BGSAVE或BGREWRITEAOF，AOF的持久化能力就与appendfsync设置为no有着相同的效果。最糟糕的情况下，这可能会导致30秒的缓存数据丢失。如果你的系统有上面描述的延迟问题，就把这个选项设置为yes，否则保持为no。如前面提到的，Redis长时间运行，命令不断写入AOF，文件会越来越大，不加控制可能影响宿主机的安全。为了解决AOF文件体积问题，Redis引入了AOF文件重写功能，它会根据Redis内数据对象的最新状态生成新的AOF文件，新旧文件对应的数据状态一致，但是新文件会具有较小的体积。重写既减少了AOF文件对磁盘空间的占用，又可以提高Redis重启时数据恢复的速度。还是下面这个例子，旧文件中的6条命令等同于新文件中的1条命令，压缩效果显而易见。

我们说，AOF文件太大时会触发AOF文件重写，那到底是多大呢？有哪些情况会触发重写操作呢？
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与RDB方式一样，AOF文件重写既可以手动触发，也会自动触发。手动触发直接调用bgrewriteaof命令，如果当时无子进程执行会立刻执行，否则安排在子进程结束后执行。自动触发由Redis的周期性方法serverCron检查在满足一定条件时触发。先了解两个配置项：auto-aof-rewrite-percentage：代表当前AOF文件大小（aof_current_size）和上一次重写后AOF文件大小（aof_base_size）相比，增长的比例。auto-aof-rewrite-min-size：表示运行BGREWRITEAOF时AOF文件占用空间最小值，默认为64MB；Redis启动时把aof_base_size初始化为当时aof文件的大小，Redis运行过程中，当AOF文件重写操作完成时，会对其进行更新；aof_current_size为serverCron执行时AOF文件的实时大小。当满足以下两个条件时，AOF文件重写就会触发：手动触发与自动触发的代码如下，同样在周期性方法serverCron中：AOF文件重写的流程是什么？听说Redis支持混合持久化，对AOF文件重写有什么影响？从4.0版本开始，Redis在AOF模式中引入了混合持久化方案，即：纯AOF方式、RDB+AOF方式，这一策略由配置参数aof-use-rdb-preamble（使用RDB作为AOF文件的前半段）控制，默认关闭(no)，设置为yes可开启。所以，在AOF重写过程中文件的写入会有两种不同的方式。当aof-use-rdb-preamble的值是：no：按照AOF格式写入命令，与4.0前版本无差别；yes：先按照RDB格式写入数据状态，然后把重写期间AOF缓冲区的内容以AOF格式写入，文件前半部分为RDB格式，后半部分为AOF格式。结合源码（6.0版本，源码太多这里不贴出，可参考aof.c）及参考资料，绘制AOF重写（BGREWRITEAOF）流程图：

结合上图，总结一下AOF文件重写的流程：rewriteAppendOnlyFileBackground开始执行，检查是否有正在进行的AOF重写或RDB持久化子进程：如果有，则退出该流程；如果没有，则继续创建接下来父子进程间数据传输的通信管道。执行fork()操作，成功后父子进程分别执行不同的流程。父进程：记录子进程信息（pid）、时间戳等；继续响应其他客户端请求；收集AOF重写期间的命令，追加至aof_rewrite_buffer；等待并向子进程同步aof_rewrite_buffer的内容；子进程：修改当前进程名称，创建重写所需的临时文件，调用rewriteAppendOnlyFile函数；根据aof-use-rdb-preamble配置，以RDB或AOF方式写入前半部分，并同步至硬盘；从父进程接收增量AOF命令，以AOF方式写入后半部分，并同步至硬盘；重命名AOF文件，子进程退出。Redis启动后通过loadDataFromDisk函数执行数据加载工作。这里需要注意，虽然持久化方式可以选择AOF、RDB或者两者兼用，但是数据加载时必须做出选择，两种方式各自加载一遍就乱套了。理论上，AOF持久化比RDB具有更好的实时性，当开启了AOF持久化方式，Redis在数据加载时优先考虑AOF方式。而且，Redis 4.0版本后AOF支持了混合持久化，加载AOF文件需要考虑版本兼容性。Redis数据加载流程如下图所示：

在AOF方式下，开启混合持久化机制生成的文件是“RDB头+AOF尾”，未开启时生成的文件全部为AOF格式。考虑两种文件格式的兼容性，如果Redis发现AOF文件为RDB头，会使用RDB数据加载的方法读取并恢复前半部分；然后再使用AOF方式读取并恢复后半部分。由于AOF格式存储的数据为RESP协议命令，Redis采用伪客户端执行命令的方式来恢复数据。如果在AOF命令追加过程中发生宕机，由于延迟写的技术特点，AOF的RESP命令可能不完整（被截断）。遇到这种情况时，Redis会按照配置项aof-load-truncated执行不同的处理策略。这个配置是告诉Redis启动时读取aof文件，如果发现文件被截断（不完整）时该如何处理：yes：则尽可能多的加载数据，并以日志的方式通知用户；no：则以系统错误的方式崩溃，并禁止启动，需要用户修复文件后再重启。Redis提供了两种持久化的选择：RDB支持以特定的实践间隔为数据集生成时间点快照；AOF把Redis Server收到的每条写指令持久化到日志中，待Redis重启时通过重放命令恢复数据。日志格式为RESP协议，对日志文件只做append操作，无损坏风险。并且当AOF文件过大时可以自动重写压缩文件。当然，如果你不需要对数据进行持久化，也可以禁用Redis的持久化功能，但是大多数情况并非如此。实际上，我们时有可能同时使用RDB和AOF两种方式的，最重要的就是我们要理解两者的区别，以便合理使用。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。RDB对灾难恢复、数据迁移非常友好，RDB文件可以转移至任何需要的地方并重新加载。RDB是Redis数据的内存快照，数据恢复速度较快，相比于AOF的命令重放有着更高的性能。RDB方式无法做到实时或秒级持久化。因为持久化过程是通过fork子进程后由子进程完成的，子进程的内存只是在fork操作那一时刻父进程的数据快照，而fork操作后父进程持续对外服务，内部数据时刻变更，子进程的数据不再更新，两者始终存在差异，所以无法做到实时性。RDB持久化过程中的fork操作，会导致内存占用加倍，而且父进程数据越多，fork过程越长。Redis请求高并发可能会频繁命中save规则，导致fork操作及持久化备份的频率不可控；RDB文件有文件格式要求，不同版本的Redis会对文件格式进行调整，存在老版本无法兼容新版本的问题。AOF持久化有更好的实时性，我们可以选择三种不同的方式（appendfsync）：no、every second、always，every second作为默认的策略具有最好的性能，极端情况下可能会丢失一秒的数据。AOF文件只有append操作，无复杂的seek等文件操作，没有损坏风险。即使最后写入数据被截断，也很容易使用redis-check-aof工具修复；当AOF文件变大时，Redis可在后台自动重写。重写过程中旧文件会持续写入，重写完成后新文件将变得更小，并且重写过程中的增量命令也会append到新文件。AOF文件以已于理解与解析的方式包含了对Redis中数据的所有操作命令。即使不小心错误的清除了所有数据，只要没有对AOF文件重写，我们就可以通过移除最后一条命令找回所有数据。AOF已经支持混合持久化，文件大小可以有效控制，并提高了数据加载时的效率。对于相同的数据集合，AOF文件通常会比RDB文件大；在特定的fsync策略下，AOF会比RDB略慢。一般来讲，fsync_every_second的性能仍然很高，fsync_no的性能与RDB相当。但是在巨大的写压力下，RDB更能提供最大的低延时保障。在AOF上，Redis曾经遇到一些几乎不可能在RDB上遇到的罕见bug。一些特殊的指令（如BRPOPLPUSH）导致重新加载的数据与持久化之前不一致，Redis官方曾经在相同的条件下进行测试，但是无法复现问题。对RDB和AOF两种持久化方式的工作原理、执行流程及优缺点了解后，我们来思考下，实际场景中应该怎么权衡利弊，合理的使用两种持久化方式。如果仅仅是使用Redis作为缓存工具，所有数据可以根据持久化数据库进行重建，则可关闭持久化功能，做好预热、缓存穿透、击穿、雪崩之类的防护工作即可。一般情况下，Redis会承担更多的工作，如分布式锁、排行榜、注册中心等，持久化功能在灾难恢复、数据迁移方面将发挥较大的作用。建议遵循几个原则：不要把Redis作为数据库，所有数据尽可能可由应用服务自动重建。使用4.0以上版本Redis，使用AOF+RDB混合持久化功能。合理规划Redis最大占用内存，防止AOF重写或save过程中资源不足。避免单机部署多实例。生产环境多为集群化部署，可在slave开启持久化能力，让master更好的对外提供写服务。备份文件应自动上传至异地机房或云存储，免费云主机域名做好灾难备份。通过上面的分析，我们都知道RDB的快照、AOF的重写都需要fork，这是一个重量级操作，会对Redis造成阻塞。因此为了不影响Redis主进程响应，我们需要尽可能降低阻塞。降低fork的频率，比如可以手动来触发RDB生成快照、与AOF重写；控制Redis最大使用内存，防止fork耗时过长；使用更高性能的硬件；合理配置Linux的内存分配策略，避免因为物理内存不足导致fork失败。关于“Redis中持久化原理是什么”这篇文章就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，使各位可以学到更多知识，如果觉得文章不错，请把它分享出去让更多的人看到。

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