Redis 持久化是如何做的？ RDB和AOF對(duì)比分析

這篇文章我們來(lái)介紹Redis高可用相關(guān)的機(jī)制。Redis要想實(shí)現(xiàn)高可用，主要有以下方面來(lái)保證：
數(shù)據(jù)持久化
主從復(fù)制
自動(dòng)故障恢復(fù)
集群化
這篇文章我們先介紹Redis的高可用保障的基礎(chǔ)：數(shù)據(jù)持久化。因?yàn)镽edis的主從復(fù)制和自動(dòng)故障恢復(fù)，都需要依賴(lài)Redis持久化相關(guān)的東西。同時(shí)，Redis的數(shù)據(jù)持久化也可以用來(lái)做數(shù)據(jù)備份，用來(lái)保障數(shù)據(jù)的安全性。
Redis是一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，它的數(shù)據(jù)都保存在內(nèi)存中，如果實(shí)例宕機(jī)，那么數(shù)據(jù)則全部丟失。如何保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性也是提高服務(wù)高可用的重要機(jī)制之一。
Redis提供了完善的持久化機(jī)制，可以把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)持久化到磁盤(pán)上，方便我們進(jìn)行備份數(shù)據(jù)和快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。
這篇文章我們就來(lái)分析Redis的數(shù)據(jù)持久化是如何實(shí)現(xiàn)的？我們經(jīng)常聽(tīng)的RDB和AOF有什么區(qū)別？以及它們不同的使用場(chǎng)景。
持久化方式
Redis提供的數(shù)據(jù)持久化方式主要有2種：
RDB：產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)快照文件
AOF：實(shí)時(shí)追加命令的日志文件
它們分別對(duì)應(yīng)了不同的使用場(chǎng)景，下面我們就來(lái)依次分析。
RDB
介紹
RDB全稱(chēng) Redis Database Backup file（Redis數(shù)據(jù)備份文件），也被叫做 Redis 數(shù)據(jù)快照。
我們可以通過(guò)執(zhí)行save或bgsave命令讓 Redis 在本地生成RDB快照文件，這個(gè)RDB文件包含了整個(gè)實(shí)例接近完整的數(shù)據(jù)內(nèi)容。
它的優(yōu)點(diǎn)如下：
RDB文件數(shù)據(jù)是被壓縮寫(xiě)入的，因此RDB文件的體積要比整個(gè)實(shí)例內(nèi)存要小
當(dāng)實(shí)例宕機(jī)恢復(fù)時(shí)，加載RDB文件的速度很快，能夠在很短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)文件中的數(shù)據(jù)
它的缺點(diǎn)也很明顯：
由于是某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)快照，因此它的數(shù)據(jù)并不全
生成 RDB 文件的代價(jià)是比較大的，它會(huì)消耗大量的 CPU 和內(nèi)存資源
因此RDB比較適用于以下場(chǎng)景：
主從全量同步數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)庫(kù)備份
對(duì)于丟失數(shù)據(jù)不敏感的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)例宕機(jī)后快速恢復(fù)數(shù)據(jù)
Redis主從全量同步數(shù)據(jù)就是使用RDB文件進(jìn)行的，我們會(huì)在后面的文章詳細(xì)講到。
由此可以看出，RDB非常適合做數(shù)據(jù)備份，我們可以定時(shí)讓Redis生成RDB文件，然后備份這個(gè)快照文件即可。
定時(shí)生成RDB
Redis也提供了定時(shí)觸發(fā)生成RDB文件的配置項(xiàng)：
# 最近15分鐘內(nèi) 至少產(chǎn)生1次寫(xiě)入
save 900 1
# 最近5分鐘內(nèi) 至少產(chǎn)生10次寫(xiě)入
save 300 10
# 最近1分鐘內(nèi) 至少產(chǎn)生10000次寫(xiě)入
save 60 10000
如果達(dá)到以上任意條件，則Redis會(huì)自動(dòng)生成新的RDB文件，降低RDB數(shù)據(jù)內(nèi)容與實(shí)例數(shù)據(jù)的差異。
Copy On Write
在Redis上執(zhí)行save和bgsave命令都可以生成RDB文件，但前者是在前臺(tái)執(zhí)行的，也就是說(shuō)在生成RDB文件時(shí)，會(huì)阻塞整個(gè)實(shí)例，在RDB未生成之前，任何請(qǐng)求都是無(wú)法處理的，對(duì)于內(nèi)存很大的實(shí)例，生成RDB文件非常耗時(shí)，顯然這是我們不能接受的。
所以通常我們會(huì)選擇執(zhí)行bgsave讓Redis在后臺(tái)生成RDB文件，這樣Redis依舊可以處理客戶(hù)端請(qǐng)求，不會(huì)阻塞整個(gè)實(shí)例。
但不是說(shuō)后臺(tái)生成RDB就是沒(méi)有代價(jià)的，Redis為了實(shí)現(xiàn)后臺(tái)把內(nèi)存數(shù)據(jù)的快照寫(xiě)入文件，采用了操作系統(tǒng)提供的Copy On Write技術(shù)，也就是我們熟知的fork系統(tǒng)調(diào)用。
fork 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)子進(jìn)程，它與父進(jìn)程共享相同的內(nèi)存地址空間，這樣子進(jìn)程在這一時(shí)刻就能擁有與父進(jìn)程的相同的內(nèi)存數(shù)據(jù)。
雖然子進(jìn)程與父進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存地址空間，但在fork子進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)需要拷貝父進(jìn)程的內(nèi)存頁(yè)表給子進(jìn)程，如果整個(gè)Redis實(shí)例內(nèi)存占用很大，那么它的內(nèi)存頁(yè)表也會(huì)很大，在拷貝時(shí)就會(huì)比較耗時(shí)，同時(shí)這個(gè)過(guò)程會(huì)消耗大量的CPU資源。在完成拷貝之前父進(jìn)程也處于阻塞狀態(tài)，無(wú)法處理客戶(hù)端請(qǐng)求。
fork執(zhí)行完之后，子進(jìn)程就可以?huà)呙枳陨硭械膬?nèi)存數(shù)據(jù)，然后把全部數(shù)據(jù)寫(xiě)入到RDB文件中。
之后父進(jìn)程依舊處理客戶(hù)端的請(qǐng)求，當(dāng)在處理寫(xiě)命令時(shí)，父進(jìn)程會(huì)重新分配新的內(nèi)存地址空間，從操作系統(tǒng)申請(qǐng)新的內(nèi)存使用，不再與子進(jìn)程共享，這個(gè)過(guò)程就是Copy On Write（寫(xiě)實(shí)復(fù)制）名字的由來(lái)。這樣父子進(jìn)程的內(nèi)存就會(huì)逐漸分離，父進(jìn)程申請(qǐng)新的內(nèi)存空間并更改內(nèi)存數(shù)據(jù)，子進(jìn)程的內(nèi)存數(shù)據(jù)不受影響。
由此可以看出，在生成RDB文件時(shí)，不僅消耗CPU資源，還有需要占用最多一倍的內(nèi)存空間。
我們?cè)?Redis 執(zhí)行info命令，可以看到fork子進(jìn)程的耗時(shí)，可以通過(guò)這個(gè)耗時(shí)來(lái)評(píng)估fork時(shí)間是否符合預(yù)期。同時(shí)我們應(yīng)該保證Redis機(jī)器擁有足夠的CPU和內(nèi)存資源，并合理設(shè)置生成RDB的時(shí)機(jī)。
AOF
介紹
AOF全稱(chēng)為Append Only File（追加日志文件）。它與RDB不同的是，AOF中記錄的是每一個(gè)命令的詳細(xì)信息，包括完整的命令類(lèi)型、參數(shù)等。只要產(chǎn)生寫(xiě)命令，就會(huì)實(shí)時(shí)寫(xiě)入到AOF文件中。
我們可以通過(guò)配置文件開(kāi)啟AOF：
# 開(kāi)啟AOF
appendonly yes

# AOF文件名
appendfilename "appendonly.aof"

# 文件刷盤(pán)方式
appendfsync everysec
刷盤(pán)方式
開(kāi)啟AOF后，Redis會(huì)把每個(gè)寫(xiě)操作的命令記錄到文件并持久化到磁盤(pán)中，為了保證數(shù)據(jù)文件的安全性，Redis還提供了文件刷盤(pán)的時(shí)機(jī)：
appendfsync always：每次寫(xiě)入都刷盤(pán)，對(duì)性能影響最大，占用磁盤(pán)IO比較高，數(shù)據(jù)安全性最高
appendfsync everysec：1秒刷一次盤(pán)，對(duì)性能影響相對(duì)較小，節(jié)點(diǎn)宕機(jī)時(shí)最多丟失1秒的數(shù)據(jù)
appendfsync no：按照操作系統(tǒng)的機(jī)制刷盤(pán)，對(duì)性能影響最小，數(shù)據(jù)安全性低，節(jié)點(diǎn)宕機(jī)丟失數(shù)據(jù)取決于操作系統(tǒng)刷盤(pán)機(jī)制
以上可以看出AOF相對(duì)于RDB的優(yōu)點(diǎn)是，AOF數(shù)據(jù)文件更新比較及時(shí)，比RDB保存更完整的數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)能夠恢復(fù)盡量完整的數(shù)據(jù)，降低丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。
如果同時(shí)存在RDB文件和AOF文件，Redis會(huì)優(yōu)先使用AOF文件進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。
但它的缺點(diǎn)也很易見(jiàn)：
隨著時(shí)間增長(zhǎng)，AOF文件會(huì)越來(lái)越大
AOF文件刷盤(pán)會(huì)增加磁盤(pán)IO的負(fù)擔(dān)，可能影響Redis的性能（開(kāi)啟每秒刷盤(pán)時(shí)）
AOF重寫(xiě)
針對(duì)第一種情況，Redis提供了AOF瘦身的功能，可以設(shè)置在A(yíng)OF文件很大時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)AOF重寫(xiě)，Redis會(huì)掃描整個(gè)實(shí)例的數(shù)據(jù)，重新生成一個(gè)AOF文件達(dá)成瘦身的效果。但這個(gè)重寫(xiě)過(guò)程也需要消耗大量的CPU資源。
# AOF文件距離上次文件增長(zhǎng)超過(guò)多少百分比則觸發(fā)重寫(xiě)
auto-aof-rewrite-percentage 100
# AOF文件體積最小多大以上才觸發(fā)重寫(xiě)
auto-aof-rewrite-min-size 64mb
由于A(yíng)OF可以最大可能降低丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，所以它一般適用于對(duì)丟失數(shù)據(jù)很敏感的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，例如涉及金錢(qián)交易的業(yè)務(wù)。
性能影響
如果AOF的刷盤(pán)時(shí)機(jī)設(shè)置為每次寫(xiě)入都刷盤(pán)，那么會(huì)大大降低Redis的寫(xiě)入性能，因?yàn)槊看螌?xiě)命令都需要寫(xiě)入文件并刷到磁盤(pán)中才會(huì)返回，當(dāng)寫(xiě)入量很大時(shí)，會(huì)增加磁盤(pán)IO的負(fù)擔(dān)。性能與數(shù)據(jù)安全不能兼得，雖然Redis提供了實(shí)時(shí)刷盤(pán)的機(jī)制，但是在真正場(chǎng)景中使用的不多。
通常我們會(huì)選擇每秒刷盤(pán)這種方式，既能保證良好的寫(xiě)入性能，在實(shí)例宕機(jī)時(shí)最多丟失1秒的數(shù)據(jù)，做到性能和安全的平衡。
總結(jié)
我們對(duì)RDB和AOF的總結(jié)如下表。
我們需要針對(duì)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇合適的持久化方式，也可以根據(jù)RDB和AOF的優(yōu)點(diǎn)配合使用，保證Redis數(shù)據(jù)的安全性，又可以兼顧它的性能。