持久化简介

Redis的数据全部存储在内存中，如果突然宕机，数据就会全部丢失，因此必须有一套机制来保证 Redis 的数据不会因为故障而丢失，这种机制就是Redis的持久化机制，它会将内存中的数据库状态保存到磁盘 中。

5.1 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，Redis快照是最简单的持久化方式，当满足特定条件时，它将生成数据集的时间点快照，例如，先前的快照是在2分钟前创建的，并且创建的两分钟后又有了200次的新写入，则将创建一个新的写照。此条件可以由用户配置 Redis 实例来控制，也可以在运行时修改而无需重新启动服务器。快照用于包含整个数据集的单个 .rdb 文件生成。

触发RDB持久化过程分为手动触发和自动触发。

5.1.1 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，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。运行save命令对应的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，一般时间很短。运行bgsave命令对应的Redis日志如下：
- ```
Background saving started by pid 3151
DB saved on disk
RDB: 0 MB of memory used by copy-on-write
Background saving terminated with success
```

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

除了执行命令手动触发之外，Redis内部还存在自动触发RDB的持久化机制，例如以下场景：

如果从节点执行全量复制操作，那么主节点自动执行bgsave生成RDB文件发送给从节点。（以后将复制的时候会讲到）。
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。

快照持久化是Redis默认采用的持久化方式，在redis.conf配置文件中默认有此下配置：

save 900 1           #在900秒(15分钟)之后，如果至少有1个key发生变化，Redis就会自动触发BGSAVE命令创建快照。

save 300 10          #在300秒(5分钟)之后，如果至少有10个key发生变化，Redis就会自动触发BGSAVE命令创建快照。

save 60 10000        #在60秒(1分钟)之后，如果至少有10000个key发生变化，Redis就会自动触发BGSAVE命令创建快照。

5.1.2 bgsave执行流程

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执行bgsave命令之后，Redis父进程会判断是否有正在执行的RDB/AOF子进程正在执行，如果发现了有，则bgsave命令直接返回。
父进程执行fork操作创建子进程，fork命令执行过程中父进程会阻塞。
1. 因为存在操作系统多进程 COW(Copy On Write) 机制。Redis 在持久化时会调用 glibc 的函数 fork 产生一个子进程，简单理解也就是基于当前进程复制了一个进程，主进程和子进程会共享内存里面的代码块和数据段：
2. 所以快照持久化可以完全交给子进程来处理，父进程则继续处理客户端请求。子进程做数据持久化，它不会修改现有的内存数据结构，它只是对数据结构进行遍历读取，然后序列化写到磁盘中。但是父进程不一样，它必须持续服务客户端请求，然后对内存数据结构进行不间断的修改。
  
  这个时候就会使用操作系统的**COW机制来进行数据段页面**的分离。数据段是由很多操作系统的页面组合而成，当父进程对其中一个页面的数据进行修改时，会将被共享的页面复制一份分离出来，然后对这个复制的页面进行修改（因此，避免在大量写入时做子进程重写操作，这样将导致父进程维护大量页副本，造成内存消耗）。这时子进程相应的页面是没有变化的，还是进程产生时那一瞬间的数据。
父进程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。
子进程会创建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替换。
进程发送信号给父进程表示完成，父进程更新统计信息。

5.1.3 RDB文件的处理

保存：RDB文件保存在配置文件中的dir配置指定的目录下，文件名通过配置文件中的dbfilename配置指定。可以通过执行config set dir{newDir}和config setdbfilename{newFileName}命令在运行期动态执行，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 setrdbcompression{yes|no}动态修改。虽然压缩RDB会消耗CPU，但可大幅降低文件的体积，方便保存到硬盘或通过网络发送给从节点，因此线上建议开启。

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。

5.1.4 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。

5.2 AOF

RDB快照不是很持久。如果运行 Redis 的计算机停止运行，电源线出现故障或者您 kill -9 的实例意外发生，则写入 Redis 的最新数据将丢失。尽管这对于某些应用程序可能不是什么大问题，但有些使用案例具有充分的耐用性，在这些情况下，快照并不是可行的选择。因此就有了AOF持久化方式来解决这个问题。

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。目前已经是Redis持久化的主流方式。

5.2.1 使用AOF

开启AOF功能需要在配置文件配置：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）

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所有的写入命令会追加到aof_buf（缓冲区）中。
AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步动作。
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。
当Redis服务器重启时，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。命令写入（append）、文件同步（sync）、文件重写（rewrite）、重启加载（load）

5.2.2 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

下面介绍关于AOF的两个疑惑：

AOF为什么直接采用文本协议格式？可能的理由如下：
1. 文本协议具有很好的兼容性
2. 开启AOF之后，所有的命令都是用文本协议格式进行追加操作，避免了二次处理开销
3. 文本协议具有可读性，可以直接查看与修改
AOF为什么把命令追加到aof_buf中？
1. 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。

5.2.3 文件同步

我们接着刚刚提到的缓冲区同步硬盘策略，Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync控制，不同值的含义如下表所示：

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配置为always时，每次写入都要同步AOF文件，在一般的SATA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。
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。

系统调用write和fsync说明：

write操作会触发延迟写（delay write）机制，就是Linux在内核提供页缓冲区用来提高硬盘IO性能。write操作写入这个页缓冲区之后就直接返回了，认为完成了这次的write操作，但是这个实际还没有真正地写到硬盘上，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。同步文件到硬盘之前，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。

AOF追加阻塞问题，我们对everysec同步策略进行进一步的讨论

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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。

阻塞流程分析：

主线程负责写入AOF缓冲区。
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。
主线程负责对比上次AOF同步时间：
1. 如果距上次同步成功时间在2秒内，主线程直接返回。
2. 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：

everysec配置最多可能丢失2秒数据，不是1秒。
如果系统fsync缓慢，将会导致Redis主线程阻塞影响效率。

AOF阻塞问题定位：

发生AOF阻塞时，Redis输出如下日志，用于记录AOF fsync阻塞导致拖慢Redis服务的行为：Asynchronous AOF fsync is taking too long (disk is busy). Writing the AOF buffer without waiting for fsync to complete, this may slow down Redis
每当发生AOF追加阻塞事件发生时，在info Persistence统计中，aof_delayed_fsync指标会累加，查看这个指标方便定位AOF阻塞问题。
AOF同步最多允许2秒的延迟，当延迟发生时说明硬盘存在高负载问题，可以通过监控工具如iotop，定位消耗硬盘IO资源的进程。

5.2.4 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：

进程内已经超时的数据不再写入文件。
旧的AOF文件含有无效命令，如del key1、hdel key2、srem keys、seta111、set a222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。
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：根据auto-aof-rewrite-min-size（表示运行AOF重写时文件最小体积，默认为64MB）和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。）参数确定自动触发时机。

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可以在info Persistence统计信息中查看。

当触发AOF重写时，内部做了哪些事呢？

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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完成之后再执行，返回如下响应：Background append only file rewriting scheduled
父进程执行fork创建子进程，开销等同于bgsave过程。
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缓冲区并根据appendfsync策略同步到硬盘，保证原有AOF机制正确性。
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(aof_rewrite_buf)”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。
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。
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。
2. 父进程把AOF**重写缓冲区(aof_rewrite_buf)**的数据写入到新的AOF文件。
3. 使用新AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

5.2.5 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

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Redis 4.0 混合持久化

重启 Redis 时，我们很少使用 rdb 来恢复内存状态，因为会丢失大量数据。我们通常使用 AOF 日志重放，但是重放 AOF 日志性能相对 rdb 来说要慢很多，这样在 Redis 实例很大的情况下，启动需要花费很长的时间。

Redis 4.0 为了解决这个问题，带来了一个新的持久化选项——混合持久化。将 rdb 文件的内容和增量的 AOF 日志文件存在一起。这里的 AOF 日志不再是全量的日志，而是 自持久化开始到持久化结束 的这段时间发生的增量 AOF 日志，通常这部分 AOF 日志很小：

于是在 Redis 重启的时候，可以先加载 rdb 的内容，然后再重放增量 AOF 日志就可以完全替代之前的 AOF 全量文件重放，重启效率因此大幅得到提升。

lizhonglei / java-construct

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