Redis的兩種持久化方式-快照持久化(RDB)和AOF持久化


Redis為了內部數據的安全考慮,會把本身的數據以文件形式保存到硬盤中一份,在服務器重啟之后會自動把硬盤的數據恢復到內存(redis)的里邊,數據保存到硬盤的過程就稱為“持久化”效果。

redis有兩種持久化功能,一種是“快照持久化(RDB)”,一種是“AOF持久化”。

----------以下內容摘自《Redis深度歷險:核心原理和應用實踐》---------------

 Redis 的數據全部在內存里,如果突然宕機,數據就會全部丟失,因此必須有一種機制 來保證 Redis 的數據不會因為故障而丟失,這種機制就是 Redis 的持久化機制。

Redis 的持久化機制有兩種,第一種是快照,第二種是 AOF 日志。快照是一次全量備 份,AOF 日志是連續的增量備份。快照是內存數據的二進制序列化形式,在存儲上非常緊湊,而 AOF 日志記錄的是內存數據修改的指令記錄文本。AOF 日志在長期的運行過程中會 變的無比龐大,數據庫重啟時需要加載 AOF 日志進行指令重放,這個時間就會無比漫長。 所以需要定期進行 AOF 重寫,給 AOF 日志進行瘦身。

快照原理

我們知道 Redis 是單線程程序,這個線程要同時負責多個客戶端套接字的並發讀寫操作 和內存數據結構的邏輯讀寫。

在服務線上請求的同時,Redis 還需要進行內存快照,內存快照要求 Redis 必須進行文 件 IO 操作,可文件 IO 操作是不能使用多路復用 API。

這意味着單線程同時在服務線上的請求還要進行文件 IO 操作,文件 IO 操作會嚴重拖 垮服務器請求的性能。還有個重要的問題是為了不阻塞線上的業務,就需要邊持久化邊響應 客戶端請求。持久化的同時,內存數據結構還在改變,比如一個大型的 hash 字典正在持久 化,結果一個請求過來把它給刪掉了,還沒持久化完呢,這尼瑪要怎么搞?

那該怎么辦呢?

Redis 使用操作系統的多進程 COW(Copy On Write) 機制來實現快照持久化,這個機制 很有意思,也很少人知道。多進程 COW 也是鑒定程序員知識廣度的一個重要指標。

fork(多進程)

Redis 在持久化時會調用 glibc 的函數 fork 產生一個子進程,快照持久化完全交給子進 程來處理,父進程繼續處理客戶端請求。子進程剛剛產生時,它和父進程共享內存里面的代 碼段和數據段。這時你可以將父子進程想像成一個連體嬰兒,共享身體。這是 Linux 操作系統的機制,為了節約內存資源,所以盡可能讓它們共享起來。在進程分離的一瞬間,內存的增長幾乎沒有明顯變化。子進程做數據持久化,它不會修改現有的內存數據結構,它只是對數據結構進行遍歷讀取,然后序列化寫到磁盤中。但是父進程不一樣,它必須持續服務客戶端請求,然后對內存數據結構進行不間斷的修改。這個時候就會使用操作系統的 COW 機制來進行數據段頁面的分離。數據段是由很多操 作系統的頁面組合而成,當父進程對其中一個頁面的數據進行修改時,會將被共享的頁面復 制一份分離出來,然后對這個復制的頁面進行修改。這時子進程相應的頁面是沒有變化的, 還是進程產生時那一瞬間的數據。

隨着父進程修改操作的持續進行,越來越多的共享頁面被分離出來,內存就會持續增 長。但是也不會超過原有數據內存的 2 倍大小。另外一個 Redis 實例里冷數據占的比例往 往是比較高的,所以很少會出現所有的頁面都會被分離,被分離的往往只有其中一部分頁 面。每個頁面的大小只有 4K,一個 Redis 實例里面一般都會有成千上萬的頁面。

子進程因為數據沒有變化,它能看到的內存里的數據在進程產生的一瞬間就凝固了,再 也不會改變,這也是為什么 Redis 的持久化叫「快照」的原因。接下來子進程就可以非常安 心的遍歷數據了進行序列化寫磁盤了。

AOF 原理

AOF 日志存儲的是 Redis 服務器的順序指令序列,AOF 日志只記錄對內存進行修改的 指令記錄。

假設 AOF 日志記錄了自 Redis 實例創建以來所有的修改性指令序列,那么就可以通過 對一個空的 Redis 實例順序執行所有的指令,也就是「重放」,來恢復 Redis 當前實例的內 存數據結構的狀態。

Redis 會在收到客戶端修改指令后,先進行參數校驗,如果沒問題,就立即將該指令文 本存儲到 AOF 日志中,也就是先存到磁盤,然后再執行指令。這樣即使遇到突發宕機,已 經存儲到 AOF 日志的指令進行重放一下就可以恢復到宕機前的狀態。

Redis 在長期運行的過程中,AOF 的日志會越變越長。如果實例宕機重啟,重放整個AOF 日志會非常耗時,導致長時間 Redis 無法對外提供服務。所以需要對 AOF 日志瘦 身。

AOF 重寫

Redis 提供了 bgrewriteaof 指令用於對 AOF 日志進行瘦身。其原理就是開辟一個子進 程對內存進行遍歷轉換成一系列 Redis 的操作指令,序列化到一個新的 AOF 日志文件中。 序列化完畢后再將操作期間發生的增量 AOF 日志追加到這個新的 AOF 日志文件中,追加 完畢后就立即替代舊的 AOF 日志文件了,瘦身工作就完成了。

fsync

AOF 日志是以文件的形式存在的,當程序對 AOF 日志文件進行寫操作時,實際上是將 內容寫到了內核為文件描述符分配的一個內存緩存中,然后內核會異步將臟數據刷回到磁盤 的。

這就意味着如果機器突然宕機,AOF 日志內容可能還沒有來得及完全刷到磁盤中,這個 時候就會出現日志丟失。那該怎么辦?

Linux 的 glibc 提供了 fsync(int fd)函數可以將指定文件的內容強制從內核緩存刷到磁 盤。只要 Redis 進程實時調用 fsync 函數就可以保證 aof 日志不丟失。但是 fsync 是一個 磁盤 IO 操作,它很慢!如果 Redis 執行一條指令就要 fsync 一次,那么 Redis 高性能的 地位就不保了。

所以在生產環境的服務器中,Redis 通常是每隔 1s 左右執行一次 fsync 操作,周期 1s是可以配置的。這是在數據安全性和性能之間做了一個折中,在保持高性能的同時,盡可能 使得數據少丟失。

Redis 同樣也提供了另外兩種策略,一個是永不 fsync——讓操作系統來決定合適同步磁 盤,很不安全,另一個是來一個指令就 fsync 一次——非常慢。但是在生產環境基本不會使 用,了解一下即可。

運維

快照是通過開啟子進程的方式進行的,它是一個比較耗資源的操作。

1、遍歷整個內存,大塊寫磁盤會加重系統負載
2、AOF 的 fsync 是一個耗時的 IO 操作,它會降低 Redis 性能,同時也會增加系統 IO 負擔

所以通常 Redis 的主節點是不會進行持久化操作,持久化操作主要在從節點進行。從節 點是備份節點,沒有來自客戶端請求的壓力,它的操作系統資源往往比較充沛。 但是如果出現網絡分區,從節點長期連不上主節點,就會出現數據不一致的問題,特別是在網絡分區出現的情況下又不小心主節點宕機了,那么數據就會丟失,所以在生產環境要做好實時監控工作,保證網絡暢通或者能快速修復。另外還應該再增加一個從節點以降低網絡分區的概率,只要有一個從節點數據同步正常,數據也就不會輕易丟失。 

----------以上內容摘自《Redis深度歷險:核心原理和應用實踐》---------------

1.snap shotting快照持久化

該持久化默認開啟,一次性把redis中全部的數據保存一份存儲在硬盤中,如果數據非常多(10-20G)就不合適頻繁操作該持久化操作。

如果對redis有數據操作,就會根據redis的配置文件指定的文件名和路徑生成rdb文件,先來看一下redis配置方面的截圖說明

再看一下在redis目錄下生成的rdb文件

可以使用vim命令對dump.rdb文件編輯看一下內容

注意:如果您細心的發現,在對redis客戶端進行數據操作之后,再次進行對dump.rdb文件進行編輯查看,文件中可能會缺少最近的操作記錄,這與配置文件中備份的頻率有關,下面看一下截圖

save 900 1             #900 秒內如果超過 1 個 key 被修改,則發起快照保存
save 300 10            #300秒超過10個key被修改,發起快照
save 60 10000            #60秒超過10000個key被修改,發起快照

以上三個save的意思都有了相應的說明,數據修改的頻率非常高,備份的頻率也高,數據修改的頻率低,備份的頻率也低。

如果發現dump.rdb文件缺少了最近的記錄,那么在這補充一種手動持久化方式,可以立即看到效果,執行此命令

./redis-cli bgsave          #異步保存

 其次還包括一些其他的手動命令

./redis-cli shutdown    #同步保存到服務器並關閉redis服務器
./redis-cli lastsave    #返回上次成功保存到磁盤的unix時間戳
./redis-cli bgrewriteaof  #當日志文件過長時優化AOF日志文件存儲

 由於快照方式是在一定間隔時間做一次的,所以如果redis意外down掉的話,就會丟失最后一次快照后的所有修改。如果應用要求不能丟失任何修改的話,可以采用aof持久化方式

2.append only file(AOF持久化)

AOF持久化本質:把用戶執行的每個“寫”指令(添加/修改/刪除)都備份到文件中,還原數據的時候就是執行具體寫指令而已。

開啟AOF持久化(會清空redis內部的數據,最好在redis使用之前就開啟它)

我們在redis.conf配置文件中可以找到它:

修改完成配置之后重啟redis

再次啟動測試一下是否有數據

看一下目錄下自定義的aof文件,目前得大小是0

操作之后

vim查看一下

所有指令全部寫入文件

在redis.conf中,可以調整AOF備份形式:

always          一寫指令就備份一次。這樣做雖然安全,但是系統性能會降低。不推薦使用
everysec         每一秒中備份一次。不管一秒鍾變化了多少key,只備份一次,性能得到一定的保護。推薦使用。
no            會查看當前服務器狀態,如果狀態良好,就進行備份(隨機)。這種備份方式數據是沒有保證的。

對比下來,性能:always<everysec<no,而數據安全:always>everysec>no。

舉例說明一下,這里就暫時不操作了,您可以拿redis的自增來操作:incr  num  ,執行此命令10次,然后查看一下aof文件,發現aof文件保存的是最終的數值,而且是set命令,這樣就節省了空間,下面說一下就是把AOF備份文件中所有的備份數據的內容進行一個處理。

在啟動redis客戶端的時候,使用bgrewriteaof指令,就可以對aof備份文件的內容進行

優化壓縮處理。截圖對比一下處理先后的大小

完畢


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