Redis持久化机制:RDB和AOF

Redis数据持久化

Redis作为一个内存数据库,数据是以内存为载体存储的,那么一旦Redis服务器进程退出,服务器中的数据也会消失。为了解决这个问题,Redis提供了持久化机制,也就是把内存中的数据保存到磁盘当中,避免数据意外丢失

Redis提供了两种持久化方案:RDB持久化AOF持久化,一个是快照的方式,一个是类似日志追加的方式

RDB快照持久化

RDB持久化是通过快照的方式,即在指定的时间间隔内将内存中的数据集快照写入磁盘。在创建快照之后,用户可以备份该快照,可以将快照复制到其他服务器以创建相同数据的服务器副本,或者在重启服务器后恢复数据。RDB是Redis默认的持久化方式

快照持久化

RDB持久化会生成RDB文件,该文件是一个压缩过的二进制文件,可以通过该文件还原快照时的数据库状态,即生成该RDB文件时的服务器数据。RDB文件默认为当前工作目录下的dump.rdb,可以根据配置文件中的dbfilenamedir设置RDB的文件名和文件位置

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# 设置 dump 的文件名
dbfilename dump.rdb

# 工作目录
# 例如上面的 dbfilename 只指定了文件名,
# 但是它会写入到这个目录下。这个配置项一定是个目录,而不能是文件名。
dir ./

触发快照的时机

  • 执行savebgsave命令
  • 配置文件设置save <seconds> <changes>规则,自动间隔性执行bgsave命令
  • 主从复制时,从库全量复制同步主库数据,主库会执行bgsave
  • 执行flushall命令清空服务器数据
  • 执行shutdown命令关闭Redis时,会执行save命令

save和bgsave命令

执行savebgsave命令,可以手动触发快照,生成RDB文件,两者的区别如下

使用save命令会阻塞Redis服务器进程,服务器进程在RDB文件创建完成之前是不能处理任何的命令请求

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127.0.0.1:6379> save
OK

而使用bgsave命令不同的是,basave命令会fork一个子进程,然后该子进程会负责创建RDB文件,而服务器进程会继续处理命令请求

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127.0.0.1:6379> bgsave
Background saving started

fork()是由操作系统提供的函数,作用是创建当前进程的一个副本作为子进程

fork一个子进程,子进程会把数据集先写入临时文件,写入成功之后,再替换之前的RDB文件,用二进制压缩存储,这样可以保证RDB文件始终存储的是完整的持久化内容

自动间隔触发

在配置文件中设置save <seconds> <changes>规则,可以自动间隔性执行bgsave命令

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################################ SNAPSHOTTING  ################################
#
# Save the DB on disk:
#
# save <seconds> <changes>
#
# Will save the DB if both the given number of seconds and the given
# number of write operations against the DB occurred.
#
# In the example below the behaviour will be to save:
# after 900 sec (15 min) if at least 1 key changed
# after 300 sec (5 min) if at least 10 keys changed
# after 60 sec if at least 10000 keys changed
#
# Note: you can disable saving completely by commenting out all "save" lines.
#
# It is also possible to remove all the previously configured save
# points by adding a save directive with a single empty string argument
# like in the following example:
#
# save ""

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

save <seconds> <changes>表示在seconds秒内,至少有changes次变化,就会自动触发gbsave命令

  • save 900 1 当时间到900秒时,如果至少有1个key发生变化,就会自动触发bgsave命令创建快照
  • save 300 10 当时间到300秒时,如果至少有10个key发生变化,就会自动触发bgsave命令创建快照
  • save 60 10000 当时间到60秒时,如果至少有10000个key发生变化,就会自动触发bgsave命令创建快照

AOF持久化

除了RDB持久化,Redis还提供了AOF(Append Only File)持久化功能,AOF持久化会把被执行的写命令写到AOF文件的末尾,记录数据的变化。默认情况下,Redis是没有开启AOF持久化的,开启后,每执行一条更改Redis数据的命令,都会把该命令追加到AOF文件中,这是会降低Redis的性能,但大部分情况下这个影响是能够接受的,另外使用较快的硬盘可以提高AOF的性能

可以通过配置redis.conf文件开启AOF持久化,关于AOF的配置如下

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# appendonly参数开启AOF持久化
appendonly no

# AOF持久化的文件名,默认是appendonly.aof
appendfilename "appendonly.aof"

# AOF文件的保存位置和RDB文件的位置相同,都是通过dir参数设置的
dir ./

# 同步策略
# appendfsync always
appendfsync everysec
# appendfsync no

# aof重写期间是否同步
no-appendfsync-on-rewrite no

# 重写触发配置
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

# 加载aof出错如何处理
aof-load-truncated yes

# 文件重写策略
aof-rewrite-incremental-fsync yes

AOF的实现

AOF需要记录Redis的每个写命令,步骤为:命令追加(append)、文件写入(write)和文件同步(sync)

命令追加(append)

开启AOF持久化功能后,服务器每执行一个写命令,都会把该命令以协议格式先追加到aof_buf缓存区的末尾,而不是直接写入文件,避免每次有命令都直接写入硬盘,减少硬盘IO次数

文件写入(write)和文件同步(sync)

对于何时把aof_buf缓冲区的内容写入保存在AOF文件中,Redis提供了多种策略

  • appendfsync always:将aof_buf缓冲区的所有内容写入并同步到AOF文件,每个写命令同步写入磁盘
  • appendfsync everysec:将aof_buf缓存区的内容写入AOF文件,每秒同步一次,该操作由一个线程专门负责
  • appendfsync no:将aof_buf缓存区的内容写入AOF文件,什么时候同步由操作系统来决定

appendfsync选项的默认配置为everysec,即每秒执行一次同步

关于AOF的同步策略是涉及到操作系统的write函数和fsync函数的,在《Redis设计与实现》中是这样说明的

为了提高文件写入效率,在现代操作系统中,当用户调用write函数,将一些数据写入文件时,操作系统通常会将数据暂存到一个内存缓冲区里,当缓冲区的空间被填满或超过了指定时限后,才真正将缓冲区的数据写入到磁盘里。

这样的操作虽然提高了效率,但也为数据写入带来了安全问题:如果计算机停机,内存缓冲区中的数据会丢失。为此,系统提供了fsyncfdatasync同步函数,可以强制操作系统立刻将缓冲区中的数据写入到硬盘里,从而确保写入数据的安全性。

从上面的介绍我们知道,我们写入的数据,操作系统并不一定会马上同步到磁盘,所以Redis才提供了appendfsync的选项配置。当该选项时为always时,数据安全性是最高的,但是会对磁盘进行大量的写入,Redis处理命令的速度会受到磁盘性能的限制;appendfsync everysec选项则兼顾了数据安全和写入性能,以每秒一次的频率同步AOF文件,即便出现系统崩溃,最多只会丢失一秒内产生的数据;如果是appendfsync no选项,Redis不会对AOF文件执行同步操作,而是有操作系统决定何时同步,不会对Redis的性能带来影响,但假如系统崩溃,可能会丢失不定数量的数据

AOF重写(rewrite)

在了解AOF重写之前,我们先来看看AOF文件中存储的内容是啥,先执行两个写操作

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127.0.0.1:6379> set s1 hello
OK
127.0.0.1:6379> set s2 world
OK

然后我们打开appendonly.aof文件,可以看到如下内容

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*3
$3
set
$2
s1
$5
hello
*3
$3
set
$2
s2
$5
world

该命令格式为Redis的序列化协议(RESP)。*3代表这个命令有三个参数,$3表示该参数长度为3

看了上面的AOP文件的内容,我们应该能想象,随着时间的推移,Redis执行的写命令会越来越多,AOF文件也会越来越大,过大的AOF文件可能会对Redis服务器造成影响,如果使用AOF文件来进行数据还原所需时间也会越长

时间长了,AOF文件中通常会有一些冗余命令,比如:过期数据的命令、无效的命令(重复设置、删除)、多个命令可合并为一个命令(批处理命令)。所以AOF文件是有精简压缩的空间的

AOF重写的目的就是减小AOF文件的体积,不过值得注意的是:AOF文件重写并不需要对现有的AOF文件进行任何读取、分享和写入操作,而是通过读取服务器当前的数据库状态来实现的

文件重写可分为手动触发和自动触发,手动触发执行bgrewriteaof命令,该命令的执行跟bgsave触发快照时类似的,都是先fork一个子进程做具体的工作

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127.0.0.1:6379> bgrewriteaof
Background append only file rewriting started

自动触发会根据auto-aof-rewrite-percentageauto-aof-rewrite-min-size 64mb配置来自动执行bgrewriteaof命令

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# 表示当AOF文件的体积大于64MB,且AOF文件的体积比上一次重写后的体积大了一倍(100%)时,会执行`bgrewriteaof`命令
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

下面看一下执行bgrewriteaof命令,重写的流程

  • 重写会有大量的写入操作,所以服务器进程会fork一个子进程来创建一个新的AOF文件
  • 在重写期间,服务器进程继续处理命令请求,如果有写入的命令,追加到aof_buf的同时,还会追加到aof_rewrite_bufAOF重写缓冲区
  • 当子进程完成重写之后,会给父进程一个信号,然后父进程会把AOF重写缓冲区的内容写进新的AOF临时文件中,再对新的AOF文件改名完成替换,这样可以保证新的AOF文件与当前数据库数据的一致性

数据恢复

Redis4.0开始支持RDB和AOF的混合持久化(可以通过配置项 aof-use-rdb-preamble 开启)

  • 如果是redis进程挂掉,那么重启redis进程即可,直接基于AOF日志文件恢复数据
  • 如果是redis进程所在机器挂掉,那么重启机器后,尝试重启redis进程,尝试直接基于AOF日志文件进行数据恢复,如果AOF文件破损,那么用redis-check-aof fix命令修复
  • 如果没有AOF文件,会去加载RDB文件
  • 如果redis当前最新的AOF和RDB文件出现了丢失/损坏,那么可以尝试基于该机器上当前的某个最新的RDB数据副本进行数据恢复

RDB vs AOF

上面介绍了RDB持久化和AOF持久化,那么来看一下他们各自的优缺点以及该如何选择持久化方案

RDB和AOF优缺点

关于RDB和AOF的优缺点,官网上面也给了比较详细的说明https://redis.io/topics/persistence

RDB

优点:

  • RDB快照是一个压缩过的非常紧凑的文件,保存着某个时间点的数据集,适合做数据的备份,灾难恢复
  • 可以最大化Redis的性能,在保存RDB文件,服务器进程只需fork一个子进程来完成RDB文件的创建,父进程不需要做IO操作
  • 与AOF相比,恢复大数据集的时候会更快

缺点:

  • RDB的数据安全性是不如AOF的,保存整个数据集的过程是比繁重的,根据配置可能要几分钟才快照一次,如果服务器宕机,那么就可能丢失几分钟的数据
  • Redis数据集较大时,fork的子进程要完成快照会比较耗CPU、耗时

AOF

优点:

  • 数据更完整,安全性更高,秒级数据丢失(取决fsync策略,如果是everysec,最多丢失1秒的数据)
  • AOF文件是一个只进行追加的日志文件,且写入操作是以Redis协议的格式保存的,内容是可读的,适合误删紧急恢复

缺点:

  • 对于相同的数据集,AOF文件的体积要大于RDB文件,数据恢复也会比较慢
  • 根据所使用的 fsync 策略,AOF 的速度可能会慢于 RDB。 不过在一般情况下, 每秒 fsync 的性能依然非常高

如何选择RDB和AOF

  • 如果是数据不那么敏感,且可以从其他地方重新生成补回的,那么可以关闭持久化

  • 如果是数据比较重要,不想再从其他地方获取,且可以承受数分钟的数据丢失,比如缓存等,那么可以只使用RDB

  • 如果是用做内存数据库,要使用Redis的持久化,建议是RDB和AOF都开启,或者定期执行bgsave做快照备份,RDB方式更适合做数据的备份,AOF可以保证数据的不丢失