解密Redis持久化

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本文內容來源於Redis 作者博文，Redis作者說，他看到的所有針對Redis的討論中，對Redis持久化 的誤解是最大的，於是他寫了一篇長文來對Redis的持久化進行了系統性的論述。

什麼是持久化，簡單來講就是將資料放到斷電後資料不會丟失的裝置中。也就是我們通常理解的硬碟上。

寫操作的流程

首先我們來看一下資料庫在進行寫操作時到底做了哪些事，主要有下面五個過程。

1. 用戶端向服務端發送寫操作（資料在用戶端的記憶體中）

2. 資料庫服務端接收到寫請求的資料（資料在服務端的記憶體中）

3. 服務端調用write(2) 這個系統調用，將資料往磁碟上寫（資料在系統記憶體的緩衝區中）

4. 作業系統將緩衝區中的資料轉移到磁碟控制卡上（資料在磁碟緩衝中）

5. 磁碟控制卡將資料寫到磁碟的物理介質中（資料真正落到磁碟上）

寫操作大致有上面5個流程，下面我們結合上面的5個流程看一下各種層級的故障。

• 當資料庫系統故障時，這時候系統核心還是OK的，那麼此時只要我們執行完了第3步，那麼資料就是安全的，因為後續作業系統會來完成後面幾步，保證資料最終會落到磁碟上。

• 當系統斷電，這時候上面5項中提到的所有緩衝都會失效，並且資料庫和作業系統都會停止工作。所以只有當資料在完成第5步後，機器斷電才能保證資料不丟失，在上述四步中的資料都會丟失。

通過上面5步的瞭解，可能我們會希望搞清下面一些問題：

• 資料庫多長時間調用一次write(2)，將資料寫到核心緩衝區

• 核心多長時間會將系統緩衝區中的資料寫到磁碟控制卡

• 磁碟控制卡又在什麼時候把緩衝中的資料寫到物理介質上

對於第一個問題，通常資料庫層面會進行全面控制。而對第二個問題，作業系統有其預設的策略，但是我們也可以通過POSIX API提供的fsync系列命令強制作業系統將資料從核心區寫到磁碟控制卡上。對於第三個問題，好像資料庫已經無法觸及，但實際上，大多數情況下磁碟緩衝是被設定關閉的。或者是只開啟為讀緩衝，也就是寫操作不會進行緩衝，直接寫到磁碟。建議的做法是僅僅當你的磁碟裝置有備用電池時才開啟寫緩衝。

所謂資料損毀，就是資料無法恢複，上面我們講的都是如何保證資料是確實寫到磁碟上去，但是寫到磁碟上可能並不意味著資料不會損壞。比如我們可能一次寫請求會進行兩次不同的寫操作，當意外發生時，可能會導致一次寫操作安全完成，但是另一次還沒有進行。如果資料庫的資料檔案結構組織不合理，可能就會導致資料完全不能恢複的狀況出現。

這裡通常也有三種策略來組織資料，以防止資料檔案損壞到無法恢複的情況：

1. 第一種是最粗糙的處理，就是不通過資料的組織形式保證資料的可恢複性。而是通過配置資料同步備份的方式，在資料檔案損壞後通過資料備份來進行恢複。實際上MongoDB在不開啟journaling日誌，通過配置Replica Sets時就是這種情況。

2. 另一種是在上面基礎上添加一個動作記錄，每次操作時記一下操作的行為，這樣我們可以通過動作記錄來進行資料恢複。因為動作記錄是順序追加的方式寫的，所以不會出現動作記錄也無法恢複的情況。這也類似於MongoDB開啟了journaling日誌的情況。

3. 更保險的做法是資料庫不進行老資料的修改，只是以追加方式去完成寫操作，這樣資料本身就是一份日誌，這樣就永遠不會出現資料無法恢複的情況了。實際上CouchDB就是此做法的優秀範例。

RDB快照

下面我們說一下Redis的第一個持久化策略，RDB快照。Redis支援將當前資料的快照存成一個資料檔案的持久化機制。而一個持續寫入的資料庫如何產生快照呢。Redis藉助了fork命令的copy on write機制。在產生快照時，將當前進程fork出一個子進程，然後在子進程中迴圈所有的資料，將資料寫成為RDB檔案。

我們可以通過Redis的save指令來配置RDB快照產生的時機，比如你可以配置當10分鐘以內有100次寫入就產生快照，也可以配置當1小時內有1000次寫入就產生快照，也可以多個規則一起實施。這些規則的定義就在Redis的設定檔中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis運行時設定規則，不需要重啟Redis。

Redis的RDB檔案不會壞掉，因為其寫操作是在一個新進程中進行的，當產生一個新的RDB檔案時，Redis產生的子進程會先將資料寫到一個臨時檔案中，然後通過原子性rename系統調用將臨時檔案重新命名為RDB檔案，這樣在任何時候出現故障，Redis的RDB檔案都總是可用的。

同時，Redis的RDB檔案也是Redis主從同步內部實現中的一環。

但是，我們可以很明顯的看到，RDB有他的不足，就是一旦資料庫出現問題，那麼我們的RDB檔案中儲存的資料並不是全新的，從上次RDB檔案產生到Redis停機這段時間的資料全部丟掉了。在某些業務下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業務使用RDB的方式進行持久化，因為開啟RDB的代價並不高。但是對於另外一些對資料安全性要求極高的應用，無法容忍資料丟失的應用，RDB就無能為力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機制：AOF 日誌。

AOF日誌

aof日誌的全稱是append only file，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的記錄檔。與一般資料庫的binlog不同的是，AOF檔案是可識別的純文字，它的內容就是一個個的Redis標準命令。比如我們進行如下實驗，使用Redis2.6版本，在啟動命令參數中設定開啟aof功能：

./redis-server --appendonly yes

然後我們執行如下的命令：

redis 127.0.0.1:6379> set key1 HelloOKredis 127.0.0.1:6379> append key1 " World!"(integer) 12redis 127.0.0.1:6379> del key1(integer) 1redis 127.0.0.1:6379> del non_existing_key(integer) 0

這時我們查看AOF記錄檔，就會得到如下內容：

$ cat appendonly.aof*2$6SELECT$10*3$3set$4key1$5Hello*3$6append$4key1$7 World!*2$3del$4key1

可以看到，寫操作都產生了一條相應的命令作為日誌。其中值得注意的是最後一個del命令，它並沒有被記錄在AOF日誌中，這是因為Redis判斷出這個命令不會對當前資料集做出修改。所以不需要記錄這個無用的寫命令。另外AOF日誌也不是完全按用戶端的請求來組建記錄檔的，比如命令INCRBYFLOAT在記AOF日誌時就被記成一條SET記錄，因為浮點數操作可能在不同的系統上會不同，所以為了避免同一份日誌在不同的系統上產生不同的資料集，所以這裡只將操作後的結果通過SET來記錄。

AOF重寫

你可以會想，每一條寫命令都產生一條日誌，那麼AOF檔案是不是會很大？答案是肯定的，AOF檔案會越來越大，所以Redis又提供了一個功能，叫做AOF rewrite。其功能就是重建一份AOF檔案，新的AOF檔案中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老檔案那樣，可能記錄了對同一個值的多次操作。其產生過程和RDB類似，也是fork一個進程，直接遍曆資料，寫入新的AOF臨時檔案。在寫入新檔案的過程中，所有的寫動作記錄還是會寫到原來老的AOF檔案中，同時還會記錄在記憶體緩衝區中。當重完操作完成後，會將所有緩衝區中的日誌一次性寫入到臨時檔案中。然後調用原子性的rename命令用新的AOF檔案取代老的AOF檔案。

從上面的流程我們能夠看到，RDB和AOF操作都是順序IO操作，效能都很高。而同時在通過RDB檔案或者AOF日誌進行資料庫恢複的時候，也是順序的讀取資料載入到記憶體中。所以也不會造成磁碟的隨機讀。

AOF可靠性設定

AOF是一個寫檔案操作，其目的是將動作記錄寫到磁碟上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那麼寫AOF的操作安全性又有多高呢。實際上這是可以設定的，在Redis中對AOF調用write(2)寫入後，何時再調用fsync將其寫到磁碟上，通過appendfsync 選項來控制，下面appendfsync的三個設定項，安全強度逐漸層強。

appendfsync no

當設定appendfsync為no的時候，Redis不會主動調用fsync去將AOF日誌內容同步到磁碟，所以這一切就完全依賴於作業系統的調試了。對大多數Linux作業系統，是每30秒進行一次fsync，將緩衝區中的資料寫到磁碟上。

appendfsync everysec

當設定appendfsync為everysec的時候，Redis會預設每隔一秒進行一次fsync調用，將緩衝區中的資料寫到磁碟。但是當這一次的fsync調用時間長度超過1秒時。Redis會採取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒後再進行fsync，這一次的fsync就不管會執行多長時間都會進行。這時候由於在fsync時檔案描述符會被阻塞，所以當前的寫操作就會阻塞。 所以，結論就是，在絕大多數情況下，Redis會每隔一秒進行一次fsync。在最壞的情況下，兩秒鐘會進行一次fsync操作。

這一操作在大多數資料庫系統中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的資料，一次性將日誌寫到磁碟。

appednfsync always

當設定appendfsync為always時，每一次寫操作都會調用一次fsync，這時資料是最安全的，當然，由於每次都會執行fsync，所以其效能也會受到影響。

對於pipelining有什麼不同

對於pipelining的操作，其具體過程是用戶端一次性發送N個命令，然後等待這N個命令的返回結果被一起返回。通過採用pipilining就意味著放棄了對每一個命令的傳回值確認。由於在這種情況下，N個命令是在同一個執行過程中執行的。所以當設定appendfsync為everysec時，可能會有一些偏差，因為這N個命令可能執行時間超過1秒甚至2秒。但是可以保證的是，最長時間不會超過這N個命令的執行時間和。

與postgreSQL和MySQL的比較

這一塊就不多說了，由於上面作業系統層面的資料安全已經講了很多，所以其實不同的資料庫在實現上都大同小異。 總之最後的結論就是，在Redis開啟AOF的情況下，其單機資料安全性並不比這些成熟的SQL資料庫弱。

這些持久化的資料有什麼用，當然是用於重啟後的資料恢複。 Redis是一個記憶體資料庫，無論是RDB還是AOF，都只是其保證資料恢複的措施。 所以Redis在利用RDB和AOF進行恢複的時候，都會讀取RDB或AOF檔案，重新載入到記憶體中。 相對於MySQL等資料庫的啟動時間來說，會長很多，因為MySQL本來是不需要將資料載入到記憶體中的。

但是相對來說，MySQL啟動後提供服務時，其被訪問的熱資料也會慢慢載入到記憶體中，通常我們稱之為預熱，而在預熱完成前，其效能都不會太高。而Redis的好處是一次性將資料載入到記憶體中，一次性預熱。這樣只要Redis啟動完成，那麼其提供服務的速度都是非常快的。

而在利用RDB和利用AOF啟動上，其啟動時間有一些差別。RDB的啟動時間會更短，原因有兩個，一是RDB檔案中每一條資料只有一條記錄，不會像AOF日誌那樣可能有一條資料的多次操作記錄。所以每條資料只需要寫一次就行了。另一個原因是RDB檔案的儲存格式和Redis資料在記憶體中的編碼格式是一致的，不需要再進行資料編碼工作。在CPU消耗上要遠小於AOF日誌的載入。

好了，大概內容就說到這裡。更詳細完整的版本請看Redis作者的博文：Redis persistence demystified。本文如有描述不周之處，就大家指正。

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