四、Redis 持久化

四、Redis 持久化4.1 持久化基本原理4.2 RDB持久化4.3 AOF持久化4.4 RDB与AOF对比4.5 持久化技术转型

数据库系列文章: 关系型数据库 — MySQL:

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非关系型数据库 — Redis:

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四、Redis 持久化

    Redis是一个内存数据库,所以其运行效率非常高。但也 存在一个问题:内存中的数据是不持久的,若 主机宕机 或 Redis 关机重启,则内存中的数据全部丢失。当然,这是不允许的。 Redis 具有持久化功能,其会按照设置以 快照 或 操作日志 的形式将数据持久化到磁盘。

    根据持久化使用技术的不同,Redis 的持久化分为两种: RDB(Redis DataBase) 与 AOF (Append Only File)。

4.1 持久化基本原理

    Redis 持久化 也称为 钝化, 是指将内存中数据库的状态描述信息保存到磁盘中。只不过是不同的持久化技术,对数据的状态描述信息是不同的 ,生成的持久化文件也是不同的 。但它们的作用都是相同的:避免数据意外丢失。

    通过手动方式,或 自动定时方式,或 自动条件触发方式,将内存中数据库的状态描述信息写入到指定的持久化文件中。当系统重新启动时,自动加载 持久化文件,并根据文件中数据库状态描述信息将数据恢复到内存中 ,这个数据恢复过程也称为激活 。这个 钝化 与 激活 的过程就是 Redis 持久化的基本原理。

    不过从以上分析可知, 对于 Redis 单机状态下, 无论是手动方式,还是定时方式或条件触发方式,都存在数据丢失问题: 在尚未手动自动保存时发生了 Redis 宕机状况,那么从上次保存到宕机期间产生的数据就会丢失。不同的持久化方式,其数据的丢失率也是不同的。

    需要注意的是, RDB 是 默认持久化方式,但 Redis 允许 RDB 与 AOF 两种持久化技术同时开启,此时系统会使用 AOF 方式做持久化,即 AOF 持久化技术的 优先级要更高。同样的道理,两种技术同时开启状态下, 系统启动时若两种持久化文件同时存在,则 优先加载 AOF持久化文件。

4.2 RDB持久化

    RDB,Redis DataBase ,是指将内存中某一时刻的 数据快照 全量 写入到指定的 rdb 文件 的持久化技术。 RDB 持久化默认是开启的。 当 Redis 启动时会 自动读取 RDB 快照文件,将数据从硬盘载入到内存, 以恢复 Redis 关机前的数据库状态。

⭐️ 4.2.1、持久化的执行

    RDB持久化的执行有三种方式:手动 save 命令、手动 bgsave 命令,与自动条件触发。

(1) 手动 save 命令

    通过在 redis-cli 客户端中执行 save 命令可立即进行一次持久化保存。 save 命令在执行期间会 阻塞 redis-server 进程,直至持久化过程完毕。而在 redis-server 进程阻塞期间, Redis 不能处理任何读写请求,无法对外提供服务。

(2) 手动 bgsave 命令

    通过在 redis-cli 客户端中执行 bgsave 命令可立即进行一次持久化保存。不同于 save 命令的是,正如该命令的名称一样, background save ,后台运行 save 。 bgsave 命令会使服务器进程 redis-server 生成一个 子进程,由该子进程负责完成保存过程 。在子进程进行保存过程中,不会阻塞 redis-server 进程对客户端读写请求的处理。

(3) 自动条件触发

    自动条件触发的本质仍是 bgsave 命令的执行。只不过是用户通过在配置文件中做相应的设置后, Redis 会根据设置信息自动调用 bgsave 命令执行。具体配置方式,后面会详解。

(4) 查看持久化时间

    通过 lastsave 命令可以查看最近一次执行持久化的时间 ,其返回的是一个 Unix 时间戳 (ms)。

⭐️ 4.2.2、RDB优化配置(重要 !!!)

    RDB 相关的配置在 redis.conf 文件的 SNAPSHOTTING 部分。

(1) save

该配置用于设置快照的自动保存触发条件,即 save point ,保存点。该触发条件是在指定时间段内发生了指定次数的写操作。 除非另有规定,默认情况下持久化条件为 save 3600 1 300 100 60 10000 。 其等价于以下三条:

save 3600 1 # 在 3600 秒 (1 小时) 内发生 1 次写操作save 300 100 # 在 300 秒 (5 分钟) 内发生 100 次写操作save 60 10000 # 在 60 秒 (1 分钟) 内发生 1 万次写操作

如果不启用RDB 持久化,只需设置 save 的参数为空串即可: save ""。

(2) stop-write-on-bgsave-error

默认情况下,如果 RDB 快照已启用(至少一个保存点),且最近的 bgsave 命令失败, Redis将停止接受写入。这样设置是为了让用户意识到数据没有正确地保存到磁盘上,否则很可能没有人会注意到,并会发生一些灾难 。当然,如果 bgsave 命令后来可以正常工作了, Redis将自动允许再次写入。

(3) rdbcompression

当进行持久化时启用 LZF 压缩字符串对象。虽然压缩 RDB 文件会消耗系统资源,降低性能,但可大幅降低文件的大小,方便保存到磁盘,加速主从集群中从节点的数据同步。

(4) rdbchecksum

从 RDB5 开始, RDB 文件的 CRC64 校验和就被放置在了文件末尾。这使格式更能 抵抗 RDB文件的损坏,但在保存和加载 RDB 文件时,性能会受到影响(约 10%),因此可以设置为 no 禁用校验和以获得最大性能。

在禁用校验和的情况下创建的 RDB 文件的校验和为零,这将告诉加载代码跳过校验检查。默认为 yes ,开启了校验功能。

(5) sanitize-dump-payload

该配置用于设置在加载 RDB 文件或进行持久化时是否开启对 zipList 、 listPack 等数据的全面安全检测。该检测可以降低命令处理时发生系统崩溃的可能。其可设置的值有三种选择:

no :不检测yes :总是检测clients :只有当客户端连接时检测。排除了加载 RDB 文件与进行持久化时的检测。

默认值本应该是 clients ,但其会影响 Redis 集群的工作,所以默认值为 no ,不检测。

(6) dbfilename

指定 RDB 文件的默认名称,默认为 dump.rdb 。

(7) rdb-del-sync-files

主从复制时,==是否删除==用于同步的从机上的 RDB 文件。默认是 no ,不删除 。 不过需要注意, 只有当 从机 的 RDB 和 AOF 持久化功能 都未开启 时才生效。

(8) dir

指定 RDB 与 AOF 文件的生成目录。默认为 Redis 安装根目录。

⭐️ 4.2.3、RDB文件结构

    RDB 持久化文件 dump.rdb 整体上有五部分构成:

(1) SOF

    SOF (Start Of File) 是一个常量,一个字符串 REDIS ,仅包含这五个字符,其长度为 5 。用于标识 RDB文件的开始,以便在加载 RDB 文件时可以迅速判断出文件是否是 RDB 文件。

(2) rdb_version

    这是一个整数,长度为 4 字节,表示 RDB 文件的版本号。

(3) EOF

    EOF (End Of File) 是一个常量,占 1 个字节,用于标识 RDB 数据的结束,校验和的开始。

(4) check_um

    校验和 check_sum 用于判断 RDB 文件中的内容是否出现 数据异常。 其采用的是 CRC64 校验算法。

CRC校验算法:

在持久化时,先将 SOF 、 rdb_version 及内存数据库中的 数据快照 这三者的二进制数据拼接起来,形成一个二进制数(假设称为数 a ),然后再使用这个 a 除以校验和 check_sum ,此时可获取到一个余数 b ,然后再将这个 b 拼接到 a 的后面,形成 databases 。在加载时,需要先使用 check_sum 对 RDB 文件进行数据损坏验证。

验证过程:只需将 RDB 文件中除 EOF 与 check_sum 外的数据除以 check_sum 。只要除得的余数不是 0 ,就说明文件发生损坏。当然,如果余数是 0 ,也不能肯定文件没有损坏。这种验证算法,是 数据损坏校验,而不是数据没有损坏的校验。

(5) databases

     databases 部分是 RDB 文件中最重要的数据部分,其可以包含任意多个非空数据库。而每个 database 又是由三部分构成:

SODB :是一个常量,占 1 个字节,用于标识一个数据库的开始。db_number :数据库编号。key_value_pairs :当前数据库中的键值对数据。

     每个 key_value_pairs 又由很多个用于描述 键值对 的数据构成。

VALUE_TYPE :是一个常量,占 1 个字节,用于标识该键值对中 value 的类型。EXPIRETIME_UNIT :是一个常量,占 1 个字节,用于标识 过期时间 的单位是 秒 还是 毫秒。TIME :当前 key-value 的过期时间。

⭐️ 4.2.4、RDB持久化过程 (面试的时候要说清楚过程)

     对于Redis 默认的 RDB 持久化,在进行 bgsave 持久化时, redis-server 进程会 fork 出一个 bgsave 子进程,由该子进程以 异步方式 负责完成持久化。而在持久化过程中, redis-server 进程不会阻塞,其会继续接收并处理用户的读写请求。      bgsave子进程的详细工作原理如下:      由于子进程可以继承 父进程的所有资源,且父进程不能拒绝子进程的继承权。所以,bgsave 子 进程有权读取到 redis-server 进程写入到内存中的用户数据,使得将内存数据持久化到 dump.rdb 成为可能。      bgsave 子进程 在持久化时首先会将内存中的全量数据 copy 到磁盘中的一个 RDB 临时文件, copy 结束后,再将该文件 rename 为 dump.rdb ,替换掉原来的同名文件。

     不过,在进行持久化过程中,如果 redis-server 进程接收到了用户写请求,则系统会将内存中发生数据修改的物理块 copy 出一个 副本。等内存中的全量数据 copy 结束后,会再将副本中的数据 copy 到 RDB 临时文件。 这个副本的生成是由于 Linux 系统的 写时复制技术(Copy-On-Write )实现的。

写时复制技术是Linux 系统的一种进程管理技术。  

    原本在 Unix 系统中,当一个主进程通过 fork() 系统调用创建子进程后,内核进程 会 复制 主进程的整个内存空间中的数据,然后分配给子进程。这种方式存在的问题有以下几点:

这个过程非常耗时这个过程降低了系统性能如果主进程修改了其内存数据,子进程副本中的数据是没有修改的。即出现了数据冗余,而冗余数据最大的问题是数据一致性无法保证。  

    现代 的 Linux 则采用了更为有效的方 式:写时复制。子进程会 继承 父进程的所有资源,其中就包括主进程的内存空间。即子进程与父进程 共享内存 。只要内存被共享 ,那么该内存就是只读的(写保护的)。     而 写时复制 则是在任何一方需要写入数据到共享内存时都会出现异常,此时内核进程就会将需要写入的数据 copy 出一个副本写入到另外一块非共享内存区域。

4.3 AOF持久化

    AOF,Append Only File ,是指 Redis 将每一次的 写操作 都以 日志的形式 记录到一个 AOF 文件中的持久化技术。当需要恢复内存数据时,将这些 写操作重新执行一次,便会恢复到之前的内存数据状态。

⭐️ 4.3.1、AOF基础配置

(1) AOF 的开启

    默认情况下 AOF 持久化是没有开启的,通过修改配置文件中的 appendonly 属性为 yes 可以开启。

如果修改,一般不直接修改配置文件:  

config set appendonly yes   改完支持把缓存内的还要修改 rewrite 一下: config rewrite  

(2) 文件名配置

  Redis 7 在这里发生了重大变化。原来只有一个 appendonly.aof 文件,现在具有了三类多个文件:

基本文件:可以是 RDB 格式也可以是 AOF 格式。其存放的内容是由 RDB 转为 AOF 当时内存的快照数据。该文件可以有多个。增量文件:以操作日志形式记录转为 AOF 后的写入操作。该文件可以有多个。清单文件:用于维护 AOF 文件的创建顺序,保障激活时的应用顺序。 该文件只有一个。

(3) 混合式持久化开启

    对于基本文件可以是 RDF 格式也可以是 AOF 格式。通过 aof-use-rdb-preamble 属性可以选择。其默认值为 yes ,即默认 AOF 持久化的基本文件为 rdb 格式文件,也就是默认采用混合式持久化。

(4) AOF 文件目录配置

    为了方便管理,可以专门为 AOF 持久化文件指定存放目录。目录名由 appenddirname 属性指定,存放在 redis.conf 配置文件的 dir 属性指定的目录,默认为 Redis 安装目录。

⭐️ 4.3.2、AOF文件格式

    AOF 文件包含三类文件:基本文件、增量文件 与 清单文件。其中基本文件一般为 rdb 格式,在前面已经研究过了。下面就来看一下 增量文件 与 清单文件 的内容格式。

(1) Redis 协议

    增量文件 扩展名为 .aof ,采用 AOF 格式。 AOF 格式其实就是 Redis 通讯协议格式, AOF持久化文件的 本质就是基于 Redis 通讯协议的文本 ,将命令以纯文本的方式写入到文件中。

    Redis 协议规定, Redis 文本是 以行来划分 ,每行以 \r\n 行结束。每一行都有一个 消息头 以表示消息类型。 消息头 由六种不同的符号表示,其意义如下:

(+) 表示一个正确的状态信息(-) 表示一个错误信息(*) 表示消息体总共有多少行,不包括当前行($) 表示下一行 消息数据 的长度,不包括换行符长度 \r\n(空) 表示一个消息数据(:) 表示返回一个数值

(2) 查看AOF文件

    打开 appendonly.aof.1.incr.aof 文件,可以看到如下格式内容。

    以上内容中框起来的是三条命令。一条数据库切换命令 SELECT 0 ,两条 set 命令。它们的意义如下:

*2          – 表示当前命令包含 2 个参数 $6          – 表示第 1 个参数包含 6 个字符 SELECT    – 第 1 个参数 $1          – 表示第 2 个参数包含 1 个字符 0           – 第 2 个参数   *3          – 表示当前命令包含 3 个参数 $3           – 表示第 1 个参数包含 3 个字符 set         – 第 1 个参数 $1           – 表示第 2 个参数包含 1 个字符 a             – 第 2 个参数 $10         – 表示第 3 个参数包含 10 个字符 aaaaaaaaaa      – 第 3 个参数

(3) 清单文件

    打开清单文件 appendonly.aof.manifest ,查看其内容如下:

    该文件首先会按照 seq 序号列举出所有基本文件,基本文件 type 类型为 b ,然后再按照 seq 序号再列举出所有增量文件,增量文件 type 类型为 i 。

    对于 Redis 启动时的数据恢复,也会按照该文件由上到下依次加载它们中的数据。

⭐️ 4.3.3、Rewrite机制(面试经常会问!!!)

    随着使用时间的推移,AOF 文件会越来越大。为了防止 AOF 文件由于太大而占用大量的磁盘空间,降低性能, Redis 引入了 Rewrite 机制来对 AOF 文件进行压缩。

(1) 何为 rewrite

    所谓 Rewrite 其实就是对 AOF 文件 进行重写整理。当 Rewrite 开启后,主进程 redis-server 创建出一个子进程 bgrewriteaof ,由该子进程完成 rewrite 过程。其首先对现有 aof 文件进行 rewrite 计算,将 计算结果 写入到一个临时文件,写入完毕后,再 rename 该临时文件为 原 aof文件名,覆盖原有文件。

(2) rewrite 计算

    rewrite 计算也称为 rewrite 策略。 rewrite 计算遵循以下策略:

读操作命令 不写入文件无效命令 不写入文件过期数据 不写入文件多条命令 合并写入 文件

(3) 手动开启 rewrite

    Rewrite 过程的执行有两种方式。一种是通过 bgrewriteaof 命令手动开启,一种是通过设置条件自动开启。

    以下是手动开启方式:

    该命令会使主进程 redis-server 创建出一个子进程 bgrewriteaof ,由该子进程完成 rewrite过程。而在 rewrite 期间, redis-server 仍是可以对外提供读写服务的。

(4) 自动开启 rewrite

    手动方式需要人办干预,所以一般采用自动方式。由于 Rewrite 过程是一个计算过程,需要消耗大量系统资源,会降低系统性能。所以, Rewrite 过程并不是随时随地任意开启的,而是通过设置一些条件,当满足条件后才会启动,以降低对性能的影响。

    下面是配置文件中对于 Rewrite 自动启动条件的设置。

auto-aof-rewrite-percentage :开启 rewrite 的增大比例,默认 100% 。指定为 0 ,表示 禁用自动 rewrite 。auto-aof-rewrite-min-size :开启 rewrite 的 AOF 文件最小值,默认 64M 。该值的设置主要是为了防止小 AOF 文件被 rewrite ,从而导致性能下降。

    自动重写 AOF 文件。当 AOF 日志文件大小增长到指定的百分比时, Redis 主进程 redis-server 会 fork 出一个子进程 bgrewriteaof 来完成 rewrite 过程。

    其工作原理如下:

Redis 会记住最新 rewrite 后的 AOF 文件大小作为基本大小,如果从主机启动后就没有发生过重写,则基本大小就使用启动时 AOF 的大小。如果当前AOF 文件 大于 基本大小的配置文件中指定的百分比阈值,且当前 AOF 文件 大于 配置文件中指定的最小阈值,则会触发 rewrite 。

⭐️ 4.3.4、AOF优化配置

(1) appendfsync

    当客户端提交写操作命令后,该命令就会写入到 aof_buf 中,而 aof_buf 中的数据持久化到磁盘 AOF 文件的过程称为数据同步。     何时将 aof_buf 中的数据同步到 AOF 文件?采用不同的数据同步策略,同时的时机是不同的,有三种策略:

always :写操作命令写入 aof_buf 后会立即调用 fsync() 系统函数,将其追加到 AOF 文件。该策略效率较低,但相对比较安全,不会丢失太多数据。最多就是刚刚执行过的写操作在尚未同步时出现宕机或重启,将这一操作丢失。no :写操作命令写入 aof_buf 后什么也不做,不会调用 fsync() 函数。而将 aof_buf 中的数据同步磁盘的操作由操作系统负责。 Linux 系统默认同步周期为 30 秒。效率较高。everysec :默认策略。写操作命令写入 aof_buf 后并不直接调用 fsync(),而是 每秒调用一次 fsync() 系统函数来完成同步。该策略兼顾到了性能与安全,是一种折中方案。

(2) no-appendfsync-on-rewrite

    该属性用于指定, 当 AOF fsync 策略设置为 always 或 everysec 当主进程创建了子进程 正在执行 bgsave 或 bgrewriteaof 时, 主进程是否不调用 fsync() 来做数据同步。设置为 no,双重否定即肯定,主进程会调用 fsync() 做同步。而 yes 则不会调用 fsync() 做数据同步。     如果调用 fsync(),在需要同步的数据量非常大时,会 阻塞主进程 对外提供服务,即会存在延迟问题。如果不调用 fsync(),则 AOF fsync 策略相当于设置为了 no ,可能会 存在 30 秒数据丢失的风险。

在生产环境中: 如果 写操作 有可能出现 高并发 的情况,设为 yes; 大多数为 读操作 高并发,默认为 no。

(3) aof-rewrite-incremental-fsync

    当 bgrewriteaof 在执行过程也是先将 rewrite 计算的结果写入到了 aof_rewr ite_buf 缓存中,然后当缓存中数据达到一定量后就会调用 fsync() 进行 刷盘操作,即 数据同步 ,将数据写入到 临时文件。 该属性用于控制 fsync() 每次刷盘的数据量最大不超过 4MB 。这样可以避免由于单次刷盘量过大而引发长时间阻塞。

(4) aof-load-turncated

    在进行 AOF 持久化过程中可能会出现 系统突然宕机的情况,此时写入到 AOF 文件中的最后一条数据可能会不完整。当主机启动后, Redis 在 AOF 文件不完整的情况下是否可以启动,取决于属性 aof-load-truncated 的设置。其值为:

yes: AOF 文件最后不完整的数据直接从 AOF 文件中截断删除,不影响 Redis 的启动。no :AOF 文件最后不完整的数据不可以被截断删除, Redis 无法启动。

(5) aof-timestamp-enabled

    该属性设置为 yes 则会开启在 AOF 文件中增加时间戳的显示功能,可方便按照时间对数据进行恢复。但该方式可能会与 当前AOF 解析器不兼容(以后可能会兼容),所以默认值为 no ,不开启。

⭐️ 4.3.5、AOF持久化过程

AOF 详细的持久化过程如下:

Redis 接收到的 写操作命令 并不是直接追加到磁盘的 AOF 文件的,而是将每一条写命令 按照 redis 通讯协议格式 暂时 添加到 AOF 缓冲区 aof_buf 。根据设置的数据同步策略,当同步条件满足时,再将缓冲区中的数据 一次性写入磁盘的 AOF 文件,以减少磁盘 IO 次数,提高性能。当磁盘的 AOF 文件大小达到了 rewrite 条件时, redis-server 主进程会 fork 出一个子进程 bgrewriteaof ,由该子进程完成 rewrite 过程。子进程 bgrewriteaof 首先对该磁盘 AOF 文件进行 rewrite 计算,将计算结果写入到一个临时文件,全部写入完毕后,再 rename 该临时文件为磁盘文件的原名称,覆盖原文件。如果在 rewrite 过程中又有写操作命令追加,那么这些数据会暂时写入 aof_rewrite_buf 缓冲区。等将全部 rewrite 计算结果写入临时文件后,会先将 aof_rewrite_buf 缓冲区中的数据写入临时文件,然后再 rename 为磁盘文件的原名称,覆盖原文件。

4.4 RDB与AOF对比

RDBAOF优势文件较小 ; 恢复较快数据安全性高; AOF 文件可读性强不足数据安全性较差; 写时复制会降低性能;RDB 文件可读性较差AOF文件较大;写操作会影响性能;数据恢复较慢

4.5 持久化技术转型

官方推荐使用 RDB 与 AOF 混合式持久化。若对数据安全性要求不高,则推荐使用 纯 RDB 持久化方式。不推荐使用纯 AOF 持久化方式。若 Redis 仅用于缓存,则无需使用任何持久化技术。

注:仅供学习参考,如有不足欢迎指正!

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