Redis 持久化

本文主要是讲解了 redis 的持久化

Redis 持久化

1. RDB 持久化

1.1 触发机制

redis RDB触发方式有以下两种:

  • save命令(已废弃):阻塞当前Redis服务器,直到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,线上环境不建议使用。
  • 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,一般时间很短。

Redis 内部自动触发机制:

  • 使用save相关配置,如“save m n”。表示m秒内数据集存在n次修改 时,自动触发bgsave。
  • 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。
  • 执行debug reload命令重新加载Redis时,也会自动触发save操作。
  • 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。

1.2 RDB 持久化流程图

RDB流程图

流程如下:

  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操作的耗时,单位为微秒。

  3. 父进程fork完成后,bgsave命令返回并不再阻塞父进程,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表示完成,父进程更新统计信息,具体见 info Persistence 下的 rdb_* 相关选项。

1.3 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在某个时间点上的数据 快照。非常适用于备份,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的方式。

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版本,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 持久化

2.1 AOF 工作流程

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),如下图所示:
AOF流程图

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。

2.2 AOF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,不同的值含义如下表:

可配置值说明
always命令写入 aof_buf 后调用系统 fsync 操作同步到 AOF 文件,fsync 完成后线程返回
everysec命令写人 aof_buf 后调用系统 write 操作,write 完成后线程返回。fsync 同步文件操作由专门线程每秒调用一次
no命令写人 aof_buf 后调用系统 write 操作,不对 AOF 文件做 fsync 同步。同步硬盘操作由操作系统负责,通常同步周期最长 30 秒
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。
  • 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。

默认配置为 everysec,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

2.3 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。

AOF重写文件的几个操作
  1. 已经超时的数据不再写入文件中
  2. 删除旧的AOF文件中含有的无效命令,如 del key1、hdel key2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 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、zset等类型操作,以64个元素为界拆分为多条。

触发方式为:手动触发(直接调用bgrewriteaof命令),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。)

AOF重写运作流程

AOF重写运作流程

流程如下:

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)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缓冲区并根据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。

3. Reids持久化应用

3.1 Redis重启流程

AOF和RDB文件都可以用于服务器重启时的数据恢复。如下图所示,表示Redis持久化文件加载流程。
Reids重启流程

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。

3.2 AOF追加阻塞

当开启AOF持久化时,常用的同步硬盘的策略是everysec,用于平衡性能和数据安全性。对于这种方式,Redis使用另一条线程每秒执行fsync同步硬盘。当系统硬盘资源繁忙时,会造成Redis主线程阻塞,如下图所示。

AOF追加阻塞

阻塞流程分析:

  1. 主线程负责写入AOF缓冲区。
  2. AOF线程负责每秒执行一次同步磁盘操作,并记录最近一次同步时间。
  3. 主线程负责对比上次AOF同步时间:如果距上次同步成功时间在2秒内,主线程直接返回;如果距上次同步成功时间超过2秒,主线程将会阻塞,直到同步操作完成。通过对AOF阻塞流程可以发现两个问题:① everysec 配置最多可能丢失 2 秒数据,不是 1 秒。② 如果系统 fsync 缓慢,将会导致 Redis 主线程阻塞影响效率。

3.3 多实例部署

Redis单线程架构导致无法充分利用CPU多核特性,通常的做法是在一台机器上部署多个Redis实例。当多个实例开启AOF重写后,彼此之间会产生对CPU和IO的竞争。

对于单机多Redis部署,如果同一时刻运行多个子进程,对当前系统影响将非常明显,因此需要采用一种 措施,把子进程工作进行隔离。Redis在info Persistence中为我们提供了监控子进程运行状况的度量指标。具体如下表所示:

属性名属性值
rdb_bgsave_in_progressbgsave子进程是否正在运行
rdb_current_bgsave_time_sec当前运行bgsave的时间,-1表示未运行
aof_enabled是否开启AOF功能
aof_rewrite_in_progressAOF重写子进程是否正在运行
aof_rewrite_scheduled在bgsave结束后是否运行AOF重写
aof_current_rewrite_time_sec当前运行AOF重写的时间,-1表示未运行
aof_current_sizeAOF文件当前字节数
aof_base_sizeAOF上次重写rewrite的字节数

基于以上指标,可以通过外部程序轮询控制AOF重写操作的执行,过程如下:

轮询控制AOF重写

  1. 外部程序定时轮询监控机器(machine)上所有Redis实例。
  2. 对于开启AOF的实例,查看(aof_current_size - aof_base_size)/ aof_base_size 确认增长率。
  3. 当增长率超过特定阈值(如100%),执行bgrewriteaof命令手动触发当前实例的AOF重写。
  4. 运行期间循环检查aof_rewrite_in_progress和aof_current_rewrite_time_sec指标,直到AOF重写结束。
  5. 确认实例AOF重写完成后,再检查其他实例并重复 2~4 步操作。从而保证机器内每个Redis实例AOF重写串行化执行。

4. 总结

  1. Redis提供了两种持久化方式:RDB和AOF。
  2. RDB使用一次性生成内存快照的方式,产生的文件紧凑压缩比更高,因此读取RDB恢复速度更快。由于每次生成RDB开销较大,无法做到实时持久化,一般用于数据冷备和复制传输。
  3. save命令会阻塞主线程不建议使用,bgsave命令通过fork操作创建子进程生成RDB避免阻塞。
  4. AOF通过追加写命令到文件实现持久化,通过appendfsync参数可以控制实时/秒级持久化。因为需要不断追加写命令,所以AOF文件体积逐渐变大,需要定期执行重写操作来降低文件体积。
  5. AOF重写可以通过auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage参数控制自动触发,也可以使用bgrewriteaof命令手动触发。
  6. 子进程执行期间使用copy-on-write机制与父进程共享内存,避免内存消耗翻倍。AOF重写期间还需要维护重写缓冲区,保存新的写入命令避免 数据丢失。
  7. 持久化阻塞主线程场景有:fork阻塞和AOF追加阻塞。fork阻塞时间跟内存量和系统有关,AOF追加阻塞说明硬盘资源紧张。
  8. 单机下部署多个实例时,为了防止出现多个子进程执行重写操作,建议做隔离控制,避免CPU和IO资源竞争。