详细分析Redis的持久化操作——RDB与AOF

时间：2020-11-26 17:48:11

一、前言

  由于疫情的原因，学校还没有开学，这也就让我有了很多的时间。趁着时间比较多，我终于可以开始学习那些之前一直想学的技术了。最近这几天开始学习Redis，买了本《Redis实战》，看到了第四章，前三章都是讲一些Redis的基本使用以及命令，第四章才开始涉及到原理相关的内容。《Redis实战》的第四章涉及到了Redis的持久化、主从复制以及事务等内容，我个人认为这些应该属于Redis中比较重要的部分，也是面试的常考内容。这篇博客就来记录一下Redis的持久化机制。

二、正文

2.1 为什么需要持久化

  学习过Redis的应该都知道，Redis与MySQL等关系型数据库不同，它的数据不是存储在硬盘中，而是存放在内存，所以Redis的速度非常快。而这也就会造成一个问题：电脑如果宕机，或者由于某些原因需要重启，此时内存中的数据就会丢失。Redis既然把数据存放在内存，自然也就无法避免这个问题。所以，为了在电脑重启后，能够恢复原来的数据，Redis就需要提供持久化的机制，将Redis数据库存储在内存中的数据，在磁盘中进行备份，也就是持久化。而当Redis重启后，去磁盘中将持久化的数据重新读取到内存，便能避免数据的丢失。

2.2 Redis的持久化方式

  Redis提供了两种持久化的方式，分别是：

  • 快照持久化；
  • AOF持久化；

  下面我就来详细地介绍这两种持久化的方式。

2.3 快照持久化（RDB）

  快照持久化也就做RDB持久化。快照持久化的实现方式简单来说就是：Redis将当前内存中存储的数据写入到一个文件中，将这个文件作为Redis当前的一个快照，保存在磁盘中。当Redis重启时，将这个快照文件中存储的内容加载进内存，即可恢复Redis之前的状态。默认情况下，Redis将快照保存在一个叫做dump.rdb的文件中，我们也可以在配置文件中，通过dbfilename选项来设置快照文件的名称；默认情况下快照文件就保存在Redis的安装目录下，我们可以在配置文件中，通过dir选项来配置快照文件的存储路径（其实也是AOF的路径）。

2.4 执行快照持久化的方式

  执行快照持久化有两种方式：

 2.4.1 使用配置文件

  第一种方式就是在Redis的配置文件中（windows下这个文件叫redis.windows-service.conf）加上save配置项，比如像下面这样：

save 60 100：在配置文件中加上这一条的意思是，Redis会每60秒检查一次，若在这60秒中，Redis数据库执行了100次以上的写操作，那Redis就会生成一个快照文件，替换原来的快照文件；若不满足这个条件，则不生成快照，继续等待60秒；

  我们可以根据自己的需求，调整每次等待的时间，以及对写操作次数的要求。而且，我们可以在配置文件中，添加多个save选项，比如一个save 60 100，一个save 5 10，则Redis每5秒以及每100秒都会判断一次。需要注意的是，我们不应该让生成快照太过频繁，因为这是一个比较消耗资源的工作，会降低Redis的响应速度。

 2.4.2 使用指令

  执行快照持久化的第二个方法就是使用Redis指令，Redis提供了两个指令来请求服务器进行快照持久化，这两个指令分别是SAVE和BGSAVE。

 （a）BGSAVE指令

  BGSAVE的执行流程如下：

  1. Redis调用系统的fork()，创建出一个子进程；
  2. 子进程将当前Redis中的数据，写入到一个临时文件中；同时父进程不受影响，继续执行客户端的请求；
  3. 子进程将所有的数据写入到了临时文件后，于是使用这个文件替换原来的快照文件（默认是dump.rdb）；

  值得一提的是，通过配置文件执行快照持久化的方式，实际上就是Redis在判断满足条件时，调用BGSAVE指令来实现的。

 （b）SAVE指令

  SAVE指令生成快照的方式与BGSAVE不同，Redis执行SAVE指令时，不会创建一个子进程，异步的生成快照文件，而是直接使用Redis当前进程。执行SAVE指令在创建快照的过程中，Redis服务器会阻塞所有的Redis客户端，直到快照生成完毕，并更新到磁盘之后，才会继续执行客户端发来的增删改查的指令。

  当然，这个指令一般很少使用，因为会阻塞客户端，造成停顿。但是实际上，这个指令的执行效率一般比BGSAVE更高，因为不需要创建子进程，而且在这个过程中，其他操作被阻塞，Redis服务器一心一意地生成快照。在《Redis实战》中，作者提到了使用SAVE指令的一个案例：

  当前服务器的Redis数据库中保存了大量数据，使用BGSAVE指令生成快照会非常的耗时 ，而且由于所剩内存不多，甚至无法创建子进程，于是作者编写了一个shell脚本，这个脚本的内容就是让服务器每天凌晨3点，执行SAVE命令，生成快照，这样就不需要创建子进程，而且由于是凌晨三点，用户较少，SAVE的阻塞机制也不会有太大的影响。

2.5 快照持久化的优缺点

（1）优点：

  1. 快照的rdb文件是一个经过压缩的紧凑文件，它保存了Redis在某个时间点上的数据集，这个文件非常适合用来备份。我们可以存储Redis服务器在不同时间点上的rbd文件，比如说一小时存储一次，一个月存储一次，这样就可以在遇到问题或有特殊需求时，将Redis恢复到某一个时间点；

  2. RDB非常适用于灾难恢复（disaster recovery）：它只有一个文件，并且内容都非常紧凑，可以（在加密后）将它传送到别的服务器上；

  3. RDB 可以最大化 Redis 的性能：父进程在保存 RDB 文件时唯一要做的就是 fork 出一个子进程，然后这个子进程就会处理接下来的所有保存工作，父进程无须执行任何磁盘I/O操作，所以不会影响父进程处理客户端的请求；

  4. RDB 在恢复大数据集时的速度比 AOF 的恢复速度要快。

（2）缺点：

  1. 当我们的服务器发生异常，导致停机时，那我们将会丢失最后一次创建快照后，所作的所有写操作，因为这些操作发生在内存中，还没来得及同步到磁盘。比如我们在配置文件中配置每5分钟生成一次快照，那当系统发生故障导致宕机时，我们将会丢失好几分钟内的操作；
  2. 每次执行BGSAVE创建快照，都需要先创建出一个子进程，再由子进程执行后续操作，当内存中数据较大时，创建一个子进程将会非常耗时，造成服务器等待数毫秒，甚至达到一秒，影响用户体验。而且从这一点也可以说明，我们不能通过提高生成快照的频率，来解决第一个缺点；

2.6 AOF持久化

  AOF全称为只追加文件（append-only file），它的实现方式简单来说就是：AOF持久化机制，会将Redis执行的所有写指令，追加到到AOF的末尾，当服务器发生宕机，或者由于某些原因需要重启时，在重启后，读取AOF文件，重新执行其中记录的写操作，以此达到恢复数据的目的。

  AOF持久化机制默认是关闭的，我们可以在配置文件中，配置appendonly yes来开启。同时我们也可以通过配置appendfsync，控制写操作追加到AOF中的频率，它有如下三种选项：

  • always：Redis每次执行写指令，都会立即将这个写指令同步到AOF中；使用这个选项时，Redis发生异常，则最多只会丢失一次写操作（也就是在同步的过程中宕机，没同步完成），但是这也会导致Redis的响应速度变慢，因为此选项会造成频繁的IO操作；
  • everysec（默认）：每秒同步一次，使用此选项，速度足够快，而且发生宕机时也只会丢失1s内的写操作；
  • no：让操作系统来决定什么时候进行同步，这个选项速度更快，但是不安全，宕机时丢失数据的多少是不确定的；

  推荐（也是默认），使用第二个选项everysec，每秒进行一次同步，因为这个选项兼顾了速度与安全性，而第一个选项太慢，第三个选项无法保证安全性。

2.7 AOF的重写机制

  AOF持久化的执行机制就是，不断地将写指令追加到AOF的末尾，这样就会导致AOF越来越大。为了解决AOF越来越大的问题，Redis实现了一种优化机制——AOF重写。当Redis检查到AOF已经很大时，就会触发重写机制，优化其中的内容，将它优化为能够得到相同结果的最小的指令集合。

  比如说，我们在Redis中使用SET指令创建了一个String类型的数据，最后使用DEL指令将它删除了。如果开启了AOF持久化，那么则AOF中，将会记录这条SET和DEL指令。但是，在执行重写的过程中，这个String最后被删除了，那么Redis就不会将这两条指令加入新的AOF中，因为已经被删除的数据，不需要恢复。再比如说，我们使用Redis维护了一个计数器cnt，我们使用了100次INCR指令，让cnt自增到了100，而Redis重写AOF时，可以将这100条incr修改为一条SET指令，直接将cnt设置为100，而不是保留100条INCR。

  经过了重写后，AOF的大小将会大大减小，而且也去除了不必要的操作，优化了恢复数据的指令集。而AOF重写的过程与生成一个快照文件类似，如下：

  1. Redis执行fock()，创建一个子进程用来执行后续操作，而父进程继续处理发送到Redis的执行请求；
  2. 子进程重写旧AOF文件，将重写后的内容写入到一个临时文件；
  3. 如果这个过程中，有新的写指令到达，那么Redis会将这些写指令依旧追加到旧的AOF中，同时也会将这些指令加入到内存的一个缓冲区中。这样做的目的是，如果服务器发生异常，AOF重写失败，这些指令依然能够保存在旧AOF，不会丢失；
  4. 当子进程完成重写工作时，它给父进程发送一个信号，父进程在接收到信号之后，将内存缓存中的所有写指令追加到新 AOF 文件的末尾；
  5. 使用新AOF替换旧的AOF，这之后执行的所有写指令都将追加到新的AOF中；

2.8 AOF的错误处理

  AOF文件是有可能发生错误的，比如上面提过，如果当前Redis正在向AOF中追加一个写指令，但是此时服务器宕机，那么这个存入AOF中的这个写指令就是不完整的，也就是AOF出现了错误。如果停机造成了 AOF 文件出错（corrupt）， 那么 Redis 在重启时会拒绝载入这个 AOF 文件， 从而确保数据的一致性不会被破坏。

  那么，当AOF发生了错误，应该如何处理呢？我们可以使用如下命令：

redis-check-aof --fix：redis-check-aof用来检测AOF是否存在错误，如果指定了--fix参数，那么Redis在检测到AOF的错误后，会对AOF进行修复。

  redis-check-aof修复AOF的方式非常简单：扫描AOF文件，寻找其中不正确或不完整的指令，当发现第一个出错的指令后，就将这个指令以及这之后的所有指令删除。为什么需要删除出错指令之后的所有指令呢？因为当一条指令出错，很有可能影响到后续的操作，导致后续操作的都是脏数据，而Redis无法检测哪些指令是受到影响的，所以为了保险起见，就将后续指令全部删除。不过不用担心，因为在大多数情况下，出错的都是AOF最末尾的指令。

2.9 AOF的优缺点

（1）优点：

  1. 使用 AOF 持久化会让 Redis 变得非常耐久，意思就是说，当发生异常导致需要重启服务器时，只会丢失很少的一部分数据，因为AOF持久化默认1s同步一次，也就是说，Redis最多只会丢失1s中所做的修改；
  2. Redis 可以在 AOF 文件体积变得过大时，自动地在后台对 AOF 进行重写： 重写后的新 AOF 文件包含了恢复当前数据集所需的最小命令集合。
  3. AOF 文件有序地保存了对数据库执行的所有写入操作， 这些写入操作以 Redis 协议的格式保存， 因此 AOF 文件的内容非常容易被人读懂， 对文件进行分析（parse）也很轻松。
  4. AOF 文件是一个只进行追加操作的日志文件（append only log）， 因此对 AOF 文件的写入不需要进行 seek ， 即使日志因为某些原因而包含了未写入完整的命令（比如写入时磁盘已满，写入中途停机，等等）， redis-check-aof 工具也可以轻易地修复这种问题。

（2）缺点：

  1. 对于相同的数据集来说，AOF 文件的体积通常要大于快照RDB文件的体积大，因为RDB只存储数据，而AOF中的写指令，既包含指令，也包含数据；
  2. 如果AOF体积太大，那么恢复数据将要花费较长的时间，因为需要重做指令；

2.10 选择快照还是AOF？

  说到这里，可能就有人要问了，在实际生产中，我们应该使用快照持久化还是AOF持久化呢？

1、如果希望自己的数据库有很高的安全性，则应该两者同时使用，AOF用作精确记录，而快照用作数据备份，前面也说过，快照非常适合用来做数据备份，因为它只存储数据库中的数据，并且经过了压缩，而且它恢复Redis数据的速度一般要快于AOF；

2、如果可以容忍一段时间内的数据丢失，则可以考虑只使用快照持久化，减小服务器的开销；

  值得一提的是，如果我们同时开启了快照持久化和AOF持久化，Redis在重启后，会优先选择AOF来恢复数据，因为一般情况下，AOF能够更加完整地恢复数据。

三、总结

  快照持久化和AOF持久化各有优劣，在实际生产环境中，我们一般是两者配合使用，快照持久化消耗较低，而且适合用于备份，但是会丢失一段时间的数据；AOF持久化更加地耐久，可靠性更高，但是开销可能相对较高。以上就对Redis的持久化机制做了一个比较详细的介绍，相信看完只后，对Redis会有一个更加深入的理解。

四、参考

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