Redis:持久化

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1 概述

持久化的功能:Redis 是内存数据库,数据都是存储在内存中,为了避免进程退出导致数据的永久丢失,需要定期将 Redis 中的数据以某种形式(数据或命令)从内存保存到硬盘;当下次 Redis 重启时,利用持久化文件实现数据恢复。除此之外,为了进行灾难备份,可以将持久化文件拷贝到一个远程位置。

Redis 持久化分为 RDB 持久化和 AOF 持久化:前者将当前数据保存到硬盘,后者则是将每次执行的写命令保存到硬盘(类似于 MySQL 的 binlog)。由于 AOF 持久化的实时性更好,即当进程意外退出时丢失的数据更少,因此 AOF 是目前主流的持久化方式,不过 RDB 持久化仍然有其用武之地。

2 RDB 持久化

2.1 RDB 文件的创建和载入

(1)创建

Redis 有两个命令可以用于生成 RDB 文件,一个是 SAVE,另一个是 BGSAVE。

SAVE 命令会阻塞 Redis 服务器进程,直到 RDB 文件创建完成,在服务器进程阻塞期间,服务器不能处理任何命令请求:

image.png

BGSAVE 命令会派生出一个子进程,然后又子进程负责创建 RDB 文件,服务器进程(父进程)继续处理命令请求:

image.png

BGSAVE 命令执行时:

  1. 服务器会拒绝执行 SAVE 命令,为了避免父进程和子进程同时执行 rdbSave 调用,防止产生竞争条件。
  2. 服务器会拒绝再次执行 BGSAVE,同时执行两个 BGSAVE 命令会产生竞争条件。
  3. BGSAVE 和 BGREWRITEAOF(重写 AOF 文件)不能同时执行,因为这两个命令的实际工作都是由子进程执行,所以这两个命令在操作方面并没有冲突的地方,不能同时执行只是一个性能方面的考虑,并发出两个子进程,并且两个子进程都同时执行大量的磁盘写入操作,这不是一个好的事情。

(2)载入

RDB 文件的载入工作是在服务器启动时自动执行的,所以 Redis 并没有专门用于载入 RDB 文件的命令,只要 Redis 服务器在启动时检测到 RDB 文件存在,他就会自动载入 RDB 文件。

需要注意的是:因为 AOF 文件的更新频率通常比 RDB 文件的更新频率高,所以:

  1. 如果服务器开启了 AOF 持久化功能,那么服务器会优先使用 AOF 文件来还原数据库状态。
  2. 只有在 AOF 持久化功能处于关闭状态时,服务器才会使用 RDB 文件来还原数据库状态。

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2.2 BGSAVE 命令执行流程

image.png

图片中的 5 个步骤所进行的操作如下:

  1. Redis 父进程首先判断:当前是否在执行 save,或 bgsave/bgrewriteaof(后面会详细介绍该命令)的子进程,如果在执行则 bgsave 命令直接返回。bgsave/bgrewriteaof 的子进程不能同时执行,主要是基于性能方面的考虑:两个并发的子进程同时执行大量的磁盘写操作,可能引起严重的性能问题。
  2. 父进程执行 fork 操作创建子进程,这个过程中父进程是阻塞的,Redis 不能执行来自客户端的任何命令
  3. 父进程 fork 后,bgsave 命令返回”Background saving started”信息并不再阻塞父进程,并可以响应其他命令
  4. 子进程创建 RDB 文件,根据父进程内存快照生成临时快照文件,完成后对原有文件进行原子替换
  5. 子进程发送信号给父进程表示完成,父进程更新统计信息

2.3 间隔性保存

因为 BGSAVE 命令可以在不阻塞服务器进程的情况下执行,所以 Redis 可以通过配置服务器的 save 选项,让服务器每隔一段时间自动执行一次 BGSAVE 命令。

可以通过 save 选项设置多个保存条件,只要其中任意一个条件被满足,服务器就会执行 BGSAVE 命令。

例如:在服务器中配置以下内容:

save 900 1

save 300 10

save 60 10000

那么只要满足以下三个条件中的任意一个,BGSAVE 命令就会被执行:

  1. 服务器在 900 秒内,对数据库进行了至少 1 次的修改。
  2. 服务器在 300 秒内,对数据库进行了至少 10 次的修改。
  3. 服务器在 60 秒内,对数据库进行了至少 10000 次的修改。

下面介绍自动保存的实现原理

2.2.1 设置保存条件

当 Redis 服务器启动时,用户可以通过指定配置文件或者传入启动参数的方式设置 save 选项,如果用户没有主动设置 save 选项,那么服务器会为 save 选项设置默认条件:

save 900 1

save 300 10

save 60 10000

然后,服务器会根据 save 选项所设置的保存条件,设置服务器状态 redisServer 结构的 saveparams 属性;

image.png

2.2.2 dirty 计数器和 lastsave 属性

除了 saveparams 数组之外,服务器状态还维持一个 dirty 计数器,以及一个 lastsave 属性。

  1. dirty 计数器记录距离上一次成功执行 save 命令或者 BGSAVE 命令之后,服务器对数据库状态(服务器中所有的数据库)进行了多少次修改(包括写入,删除,更新等操作)
  2. lastsave 属性是一个 UNIX 时间戳,记录了服务器上一次成功执行 SAVE 命令或者 BGSAVE 命令的时间。

image.png

2.2.3 检查保存条件是否满足

Redis 的服务器周期性操作函数 serverCron 默认每隔 100 毫秒就会执行一次,该函数用于对正在运行的服务器进行维护,它的其中一项工作就是检查 save 选项所设置的保存条件是否已经满足,如果满足就执行 BGSAVE 命令。

程序会遍历并检查 saveparams 数组中的所有保存条件,只要有任意一个条件被满足,那么服务器就会执行 BGSAVE 命令。

以上就是自动保存内容。

补充内容:其他自动触发机制

除了 save m n 以外,还有一些其他情况会触发 bgsave:

2.4 RDB 文件结构

存储路径:

RDB 文件的存储路径既可以在启动前配置,也可以通过命令动态设定。

配置:dir 配置指定目录,dbfilename 指定文件名。默认是 Redis 根目录下的 dump.rdb 文件。

动态设定:Redis 启动后也可以动态修改 RDB 存储路径,在磁盘损害或空间不足时非常有用;执行命令为 config set dir {newdir}和 config set dbfilename {newFileName}。如下所示(Windows 环境):

RDB 文件格式:image.png

压缩

Redis 默认采用 LZF 算法对 RDB 文件进行压缩。虽然压缩耗时,但是可以大大减小 RDB 文件的体积,因此压缩默认开启;可以通过命令关闭:

image.png

需要注意的是,RDB 文件的压缩并不是针对整个文件进行的,而是对数据库中的字符串进行的,且只有在字符串达到一定长度(20 字节)时才会进行。

2.5 RDB 常用配置项

下面是 RDB 常用的配置项,以及默认值;

3 AOF 持久化

RDB 持久化是将进程数据写入文件,而 AOF 持久化(即 Append Only File 持久化),则是将 Redis 执行的每次写命令记录到单独的日志文件中(有点像 MySQL 的 binlog);当 Redis 重启时再次执行 AOF 文件中的命令来恢复数据。

与 RDB 相比,AOF 的实时性更好,因此已成为主流的持久化方案。

3.1 AOF 持久化的实现

AOF 持久化功能的实现可以分为命令追加(append),文件写入,文件同步(sync)是哪个步骤。

3.1.1 开启 AOF

Redis 服务器默认开启 RDB,关闭 AOF;要开启 AOF,需要在配置文件中配置:

appendonly yes

3.2.2 AOF 执行流程

由于需要记录 Redis 的每条写命令,因此 AOF 不需要触发,下面介绍 AOF 的执行流程。

AOF 的执行流程包括:

3.2.2.1 命令追加

当 AOF 持久化功能处于打开状态时,服务器在执行完一个写命令之后,会以协议格式将被执行的写命令追加到服务器状态的 aof_buf 缓冲区末尾:

image.png

3.2.2.2 文件写入和文件同步

Redis 提供了多种 AOF 缓存区的同步文件策略,策略涉及到操作系统的 write 函数和 fsync 函数,说明如下:

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硬盘里。这样的操作虽然提高了效率,但也带来了安全问题:如果计算机停机,内存缓冲区中的数据会丢失;因此系统同时提供了 fsync、fdatasync 等同步函数,可以强制操作系统立刻将缓冲区中的数据写入到硬盘里,从而确保数据的安全性。

Redis 的服务器进程就是一个事件循环(loop),这个循环中的文件事件负责接收客户端的命令请求,以及向客户端发送命令回复,而时间事件则负责执行像 serverCron 函数这样需要定时运行的函数。

因为服务器在处理文件时可能会执行写命令,使得一些内容被追加到 aof_buf 缓冲区里面,所以在服务器每次结束一个事件循环之前,它都会调用 flushAppendOnlyFile 函数,考虑是否需要将 aof_buf 缓冲区中的内容写入和保存到 AOF 文件里面,这个过程可用以下伪代码表示:

image.png

flushAppendOnlyFile 函数的行为由服务器配置的 appendfsync 选项的值来决定,各个不同值产生的行为如表所示:

3.2.2.3 AOF 重写

因为 AOF 持久化是通过保存被执行的写命令来记录数据库状态的,所以随着服务器运行时间的流逝,AOF 文件中的内容会越来越多,文件的体积也会越来越大,如果不加以控制的话,体积过大的 AOF 文件和可能对 Redis 服务器,甚至整个宿主计算机造成影响,并且 AOF 文件的体积越大,使用 AOF 文件来进行数据还原所需的时间就越多。

(1)AOF 重写的实现

文件重写是指定期重写 AOF 文件,减小 AOF 文件的体积。需要注意的是,AOF 重写是把 Redis 进程内的数据转化为写命令,同步到新的 AOF 文件;不会对旧的 AOF 文件进行任何读取、写入操作!

文件重写需要注意的另一点是:对于 AOF 持久化来说,文件重写虽然是强烈推荐的,但并不是必须的;即使没有文件重写,数据也可以被持久化并在 Redis 启动的时候导入;因此在一些实现中,会关闭自动的文件重写,然后通过定时任务在每天的某一时刻定时执行。

文件重写之所以能够压缩 AOF 文件,原因在于:

通过上述内容可以看出,由于重写后 AOF 执行的命令减少了,文件重写既可以减少文件占用的空间,也可以加快恢复速度。

Redis 将 AOF 重写程序放到子进程中执行,这样可以达到两个目的:

  1. 子进程进行 AOF 重写期间,服务器进程可以继续处理命令请求。
  2. 子进程带有服务器进程的数据副本,使用子进程而不是线程,可以避免使用锁的情况下,保证数据的安全性。

不过,使用子进程还会有一个问题,因为子进程在进行 AOF 重写期间,服务器进程还需要继续处理命令请求,而新的命令可能会对现有的数据库状态进行修改,从而使得服务器当前的数据库状态和重写后的 AOF 文件所保存的数据库状态不一致。

为了解决这种数据不一致的问题,Redis 服务器设置了一个 AOF 重写缓存区,这个缓冲区在服务器创建子进程之后开始使用,当 Redis 服务器执行完一个写命令之后,他会同时将这个写命令发送给 AOF 缓冲区和 AOF 长些缓冲区。

image.png

当子进程完成 AOF 重写工作之后,它会向父进程发送一个信号,父进程在接到该信号之后,会调用一个信号处理函数,并执行以下工作:

  1. 将 AOF 重写缓存区中的所有内容写入到新的 AOF 文件中,这时新 AOF 文件所保存的数据库状态将和服务器当前的数据库状态一致。
  2. 对新的 AOF 文件进行改名,原子地(atomic)覆盖现有的 AOF 文件,完成新旧两个 AOF 文件的替换。

(2)AOF 重写的触发

文件重写的触发,分为手动触发和自动触发:

手动触发:直接调用 bgrewriteaof 命令,该命令的执行与 bgsave 有些类似:都是 fork 子进程进行具体的工作,且都只有在 fork 时阻塞。

自动触发:根据 auto-aof-rewrite-min-size 和 auto-aof-rewrite-percentage 参数,以及 aof_current_size 和 aof_base_size 状态确定触发时机。

其中,参数可以通过 config get 命令查看:

image.png

状态可以通过 info persistence 查看:

image.png

只有当 auto-aof-rewrite-min-size 和 auto-aof-rewrite-percentage 两个参数同时满足时,才会自动触发 AOF 重写,即 bgrewriteaof 操作。

(3)AOF 重写流程总结

image.png

关于文件重写的流程,有两点需要特别注意:(1)重写由父进程 fork 子进程进行;(2)重写期间 Redis 执行的写命令,需要追加到新的 AOF 文件中,为此 Redis 引入了 aof_rewrite_buf 缓存。

对照上图,文件重写的流程如下:

  1. Redis 父进程首先判断当前是否存在正在执行 bgsave/bgrewriteaof 的子进程,如果存在则 bgrewriteaof 命令直接返回,如果存在 bgsave 命令则等 bgsave 执行完成后再执行。前面曾介绍过,这个主要是基于性能方面的考虑。
  2. 父进程执行 fork 操作创建子进程,这个过程中父进程是阻塞的。

3.1) 父进程 fork 后,bgrewriteaof 命令返回”Background append only file rewrite started”信息并不再阻塞父进程,并可以响应其他命令。Redis 的所有写命令依然写入 AOF 缓冲区,并根据 appendfsync 策略同步到硬盘,保证原有 AOF 机制的正确。

3.2) 由于 fork 操作使用写时复制技术,子进程只能共享 fork 操作时的内存数据。由于父进程依然在响应命令,因此 Redis 使用 AOF 重写缓冲区(图中的 aof_rewrite_buf)保存这部分数据,防止新 AOF 文件生成期间丢失这部分数据。也就是说,bgrewriteaof 执行期间,Redis 的写命令同时追加到 aof_buf 和 aof_rewirte_buf 两个缓冲区。

  1. 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。

5.1) 子进程写完新的 AOF 文件后,向父进程发信号,父进程更新统计信息,具体可以通过 info persistence 查看。

5.2) 父进程把 AOF 重写缓冲区的数据写入到新的 AOF 文件,这样就保证了新 AOF 文件所保存的数据库状态和服务器当前状态一致。

5.3) 使用新的 AOF 文件替换老文件,完成 AOF 重写。

3.2 AOF 文件载入与数据还原

当 AOF 开启时,Redis 启动时会优先载入 AOF 文件来恢复数据;只有当 AOF 关闭时,才会载入 RDB 文件恢复数据。

文件校验

与载入 RDB 文件类似,Redis 载入 AOF 文件时,会对 AOF 文件进行校验,如果文件损坏,则日志中会打印错误,Redis 启动失败。但如果是 AOF 文件结尾不完整(机器突然宕机等容易导致文件尾部不完整),且 aof-load-truncated 参数开启,则日志中会输出警告,Redis 忽略掉 AOF 文件的尾部,启动成功。aof-load-truncated 参数默认是开启的:

伪客户端

因为 Redis 的命令只能在客户端上下文中执行,而载入 AOF 文件时命令是直接从文件中读取的,并不是由客户端发送;因此 Redis 服务器在载入 AOF 文件之前,会创建一个没有网络连接的客户端,之后用它来执行 AOF 文件中的命令,命令执行的效果与带网络连接的客户端完全一样。

image.png

3.3 AOF 常用配置

4 总结

  1. 持久化在 Redis 高可用中的作用:数据备份,与主从复制相比强调的是由内存到硬盘的备份。
  2. RDB 持久化:将数据快照备份到硬盘;介绍了其触发条件(包括手动出发和自动触发)、执行流程、RDB 文件等,特别需要注意的是文件保存操作由 fork 出的子进程来进行。
  3. AOF 持久化:将执行的写命令备份到硬盘(类似于 MySQL 的 binlog),介绍了其开启方法、执行流程等,特别需要注意的是文件同步策略的选择(everysec)、文件重写的流程。

5 参考文档

https://www.cnblogs.com/kismetv/p/9137897.html

redis 的设计与实现

  • Redis

    Redis 是一个开源的使用 ANSI C 语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value 数据库,并提供多种语言的 API。从 2010 年 3 月 15 日起,Redis 的开发工作由 VMware 主持。从 2013 年 5 月开始,Redis 的开发由 Pivotal 赞助。

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1 操作
function001 在 2021-11-23 13:25:37 更新了该帖

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