Redis持久化方案詳解

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Redis的資料回寫機制

Redis的資料回寫機制分同步和非同步兩種，

1. 同步回寫即SAVE命令，主進程直接向磁碟回寫資料。在資料大的情況下會導致系統假死很長時間，所以一般不是推薦的。
2. 非同步回寫即BGSAVE命令，主進程fork後，複製自身並通過這個新的進程回寫磁碟，回寫結束後新進程自行關閉。由於這樣做不需要主進程阻塞，系統不會假死，一般預設會採用這個方法。

個人感覺方法２採用fork主進程的方式很拙劣，但似乎是唯一的方法。記憶體中的熱資料隨時可能修改，要在磁碟上儲存某個時間的記憶體鏡像必須要凍結。凍結就會導致假死。 fork一個新的進程之後等於複製了當時的一個記憶體鏡像，這樣主進程上就不需要凍結，只要子進程上操作就可以了。

在小記憶體的進程上做一個fork,不需要太多資源，但當這個進程的記憶體空間以Ｇ為單位時，fork就成為一件很恐怖的操作。何況在16G記憶體的主機上fork 14G記憶體的進程呢？肯定會報記憶體無法分配的。更可氣的是，越是改動頻繁的主機上fork也越頻繁，fork操作本身的代價恐怕也不會比假死好多少。

找到原因之後，直接修改/etc/sysctl.conf核心參數vm.overcommit_memory= 1

sysctl -p

Linux核心會根據參數vm.overcommit_memory參數的設定決定是否允許存取。

1.  如果 vm.overcommit_memory = 1，直接允許存取
2. vm.overcommit_memory = 0：則比較 此次請求分配的虛擬記憶體大小和系統當前閒置實體記憶體加上swap，決定是否允許存取。
3. vm.overcommit_memory= 2：則會比較進程所有已指派的虛擬記憶體加上此次請求分配的虛擬記憶體和系統當前的空閑實體記憶體加上swap，決定是否允許存取。

Redis持久化實踐及災難恢複類比

參考資料：
Redis Persistence http://redis.io/topics/persistence
Google Groups https://groups.google.com/forum/?fromgroups=#!forum/redis-db

一、對Redis持久化的探討與理解

目前Redis持久化的方式有兩種： RDB 和 AOF

首先，我們應該明確持久化的資料有什麼用，答案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。

RDB就是Snapshot快照儲存，是預設的持久化方式。
可理解為半持久化模式，即按照一定的策略周期性的將資料儲存到磁碟。
對應產生的資料檔案為dump.rdb，通過設定檔中的save參數來定義快照的周期。
下面是預設的快照設定：

save 900 1    #當有一條Keys資料被改變時，900秒重新整理到Disk一次save 300 10   #當有10條Keys資料被改變時，300秒重新整理到Disk一次save 60 10000 #當有10000條Keys資料被改變時，60秒重新整理到Disk一次

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。
第一次Slave向Master同步的實現是：
Slave向Master發出同步請求，Master先dump出rdb檔案，然後將rdb檔案全量傳輸給slave，然後Master把緩衝的命令轉寄給Slave，初次同步完成。
第二次以及以後的同步實現是：
Master將變數的快照直接即時依次發送給各個Slave。
但不管什麼原因導致Slave和Master斷開重連都會重複以上兩個步驟的過程。
Redis的主從複製是建立在記憶體快照的持久化基礎上的，只要有Slave就一定會有記憶體快照發生。

可以很明顯的看到，RDB有它的不足，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。

AOF(Append-Only File)比RDB方式有更好的持久化性。
由於在使用AOF持久化方式時，Redis會將每一個收到的寫命令都通過Write函數追加到檔案中，類似於MySQL的binlog。
當Redis重啟是會通過重新執行檔案中儲存的寫命令來在記憶體中重建整個資料庫的內容。
對應的設定參數為：
$ vim /opt/redis/etc/redis_6379.conf

appendonly yes       #啟用AOF持久化方式appendfilename appendonly.aof #AOF檔案的名稱，預設為appendonly.aof# appendfsync always #每次收到寫命令就立即強制寫入磁碟，是最有保證的完全的持久化，但速度也是最慢的，一般不推薦使用。appendfsync everysec #每秒鐘強制寫入磁碟一次，在效能和持久化方面做了很好的折中，是受推薦的方式。# appendfsync no     #完全依賴OS的寫入，一般為30秒左右一次，效能最好但是持久化最沒有保證，不被推薦。

AOF的完全持久化方式同時也帶來了另一個問題，持久化檔案會變得越來越大。
比如我們調用INCR test命令100次，檔案中就必須儲存全部的100條命令，但其實99條都是多餘的。
因為要恢複資料庫的狀態其實檔案中儲存一條SET test 100就夠了。
為了壓縮AOF的持久化檔案，Redis提供了bgrewriteaof命令。
收到此命令後Redis將使用與快照類似的方式將記憶體中的資料以命令的方式儲存到臨時檔案中，最後替換原來的檔案，以此來實現控制AOF檔案的增長。
由於是類比快照的過程，因此在重寫AOF檔案時並沒有讀取舊的AOF檔案，而是將整個記憶體中的資料庫內容用命令的方式重寫了一個新的AOF檔案。
對應的設定參數為:
$ vim /opt/redis/etc/redis_6379.conf

no-appendfsync-on-rewrite yes   #在日誌重寫時，不進行命令追加操作，而只是將其放在緩衝區裡，避免與命令的追加造成DISK IO上的衝突。auto-aof-rewrite-percentage 100 #當前AOF檔案大小是上次日誌重寫得到AOF檔案大小的二倍時，自動啟動新的日誌重寫過程。auto-aof-rewrite-min-size 64mb  #當前AOF檔案啟動新的日誌重寫過程的最小值，避免剛剛啟動Reids時由於檔案尺寸較小導致頻繁的重寫。

到底選擇什麼呢？下面是來自官方的建議：
通常，如果你要想提供很高的資料保障性，那麼建議你同時使用兩種持久化方式。
如果你可以接受災難帶來的幾分鐘的資料丟失，那麼你可以僅使用RDB。
很多使用者僅使用了AOF，但是我們建議，既然RDB可以時不時的給資料做個完整的快照，並且提供更快的重啟，所以最好還是也使用RDB。
因此，我們希望可以在未來（長遠計劃）統一AOF和RDB成一種持久化模式。

在資料恢複方面：
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，所以在CPU消耗上要遠小於AOF日誌的載入。

二、災難恢複類比
既然持久化的資料的作用是用於重啟後的資料恢複，那麼我們就非常有必要進行一次這樣的災難恢複類比了。
據稱如果資料要做持久化又想保證穩定性，則建議留空一半的實體記憶體。因為在進行快照的時候，fork出來進行dump操作的子進程會佔用與父進程一樣的記憶體，真正的copy-on-write，對效能的影響和記憶體的耗用都是比較大的。
目前，通常的設計思路是利用Replication機制來彌補aof、snapshot效能上的不足，達到了資料可持久化。
即Master上Snapshot和AOF都不做，來保證Master的讀寫效能，而Slave上則同時開啟Snapshot和AOF來進行持久化，保證資料的安全性。

首先，修改Master上的如下配置：
$ sudo vim /opt/redis/etc/redis_6379.conf

#save 900 1 #禁用Snapshot#save 300 10#save 60 10000appendonly no #禁用AOF

接著，修改Slave上的如下配置：
$ sudo vim /opt/redis/etc/redis_6379.conf

save 900 1 #啟用Snapshotsave 300 10save 60 10000appendonly yes #啟用AOFappendfilename appendonly.aof #AOF檔案的名稱# appendfsync alwaysappendfsync everysec #每秒鐘強制寫入磁碟一次# appendfsync no  no-appendfsync-on-rewrite yes   #在日誌重寫時，不進行命令追加操作auto-aof-rewrite-percentage 100 #自動啟動新的日誌重寫過程auto-aof-rewrite-min-size 64mb  #啟動新的日誌重寫過程的最小值

分別啟動Master與Slave
$ /etc/init.d/redis start

啟動完成後在Master中確認未啟動Snapshot參數
redis 127.0.0.1:6379> CONFIG GET save
1) "save"
2) ""

然後通過以下指令碼在Master中產生25萬條資料：
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ cat redis-cli-generate.temp.sh

#!/bin/bashREDISCLI="redis-cli -a slavepass -n 1 SET"ID=1while(($ID<50001))do  INSTANCE_NAME="i-2-$ID-VM"  UUID=`cat /proc/sys/kernel/random/uuid`  PRIVATE_IP_ADDRESS=10.`echo "$RANDOM % 255 + 1" | bc`.`echo "$RANDOM % 255 + 1" | bc`.`echo "$RANDOM % 255 + 1" | bc`  CREATED=`date "+%Y-%m-%d %H:%M:%S"`  $REDISCLI vm_instance:$ID:instance_name "$INSTANCE_NAME"  $REDISCLI vm_instance:$ID:uuid "$UUID"  $REDISCLI vm_instance:$ID:private_ip_address "$PRIVATE_IP_ADDRESS"  $REDISCLI vm_instance:$ID:created "$CREATED"  $REDISCLI vm_instance:$INSTANCE_NAME:id "$ID"  ID=$(($ID+1))done

[email protected]:/opt/redis/data/6379$ ./redis-cli-generate.temp.sh

在資料的產生過程中，可以很清楚的看到Master上僅在第一次做Slave同步時建立了dump.rdb檔案，之後就通過增量傳輸命令的方式給Slave了。
dump.rdb檔案沒有再增大。
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ ls -lh
total 4.0K
-rw-r--r-- 1 root root 10 Sep 27 00:40 dump.rdb

而Slave上則可以看到dump.rdb檔案和AOF檔案在不斷的增大，並且AOF檔案的增長速度明顯大於dump.rdb檔案。
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ ls -lh
total 24M
-rw-r--r-- 1 root root 15M Sep 27 12:06 appendonly.aof
-rw-r--r-- 1 root root 9.2M Sep 27 12:06 dump.rdb

等待資料插入完成以後，首先確認當前的資料量。
redis 127.0.0.1:6379> info

redis_version:2.4.17redis_git_sha1:00000000redis_git_dirty:0arch_bits:64multiplexing_api:epollgcc_version:4.4.5process_id:27623run_id:e00757f7b2d6885fa9811540df9dfed39430b642uptime_in_seconds:1541uptime_in_days:0lru_clock:650187used_cpu_sys:69.28used_cpu_user:7.67used_cpu_sys_children:0.00used_cpu_user_children:0.00connected_clients:1connected_slaves:1client_longest_output_list:0client_biggest_input_buf:0blocked_clients:0used_memory:33055824used_memory_human:31.52Mused_memory_rss:34717696used_memory_peak:33055800used_memory_peak_human:31.52Mmem_fragmentation_ratio:1.05mem_allocator:jemalloc-3.0.0loading:0aof_enabled:0changes_since_last_save:250000bgsave_in_progress:0last_save_time:1348677645bgrewriteaof_in_progress:0total_connections_received:250007total_commands_processed:750019expired_keys:0evicted_keys:0keyspace_hits:0keyspace_misses:0pubsub_channels:0pubsub_patterns:0latest_fork_usec:246vm_enabled:0role:masterslave0:10.6.1.144,6379,onlinedb1:keys=250000,expires=0

當前的資料量為25萬條key，佔用記憶體31.52M。

然後我們直接Kill掉Master的Redis進程，類比災難。
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ sudo killall -9 redis-server

我們到Slave中查看狀態：
redis 127.0.0.1:6379> info

redis_version:2.4.17redis_git_sha1:00000000redis_git_dirty:0arch_bits:64multiplexing_api:epollgcc_version:4.4.5process_id:13003run_id:9b8b398fc63a26d160bf58df90cf437acce1d364uptime_in_seconds:1627uptime_in_days:0lru_clock:654181used_cpu_sys:29.69used_cpu_user:1.21used_cpu_sys_children:1.70used_cpu_user_children:1.23connected_clients:1connected_slaves:0client_longest_output_list:0client_biggest_input_buf:0blocked_clients:0used_memory:33047696used_memory_human:31.52Mused_memory_rss:34775040used_memory_peak:33064400used_memory_peak_human:31.53Mmem_fragmentation_ratio:1.05mem_allocator:jemalloc-3.0.0loading:0aof_enabled:1changes_since_last_save:3308bgsave_in_progress:0last_save_time:1348718951bgrewriteaof_in_progress:0total_connections_received:4total_commands_processed:250308expired_keys:0evicted_keys:0keyspace_hits:0keyspace_misses:0pubsub_channels:0pubsub_patterns:0latest_fork_usec:694vm_enabled:0role:slaveaof_current_size:17908619aof_base_size:16787337aof_pending_rewrite:0aof_buffer_length:0aof_pending_bio_fsync:0master_host:10.6.1.143master_port:6379master_link_status:downmaster_last_io_seconds_ago:-1master_sync_in_progress:0master_link_down_since_seconds:25slave_priority:100db1:keys=250000,expires=0

可以看到master_link_status的狀態已經是down了，Master已經不可訪問了。
而此時，Slave依然運行良好，並且保留有AOF與RDB檔案。

下面我們將通過Slave上儲存好的AOF與RDB檔案來恢複Master上的資料。

首先，將Slave上的同步狀態取消，避免主庫在未完成資料恢複前就重啟，進而直接覆蓋掉從庫上的資料，導致所有的資料丟失。
redis 127.0.0.1:6379> SLAVEOF NO ONE
OK

確認一下已經沒有了master相關的配置資訊：
redis 127.0.0.1:6379> INFO

redis_version:2.4.17redis_git_sha1:00000000redis_git_dirty:0arch_bits:64multiplexing_api:epollgcc_version:4.4.5process_id:13003run_id:9b8b398fc63a26d160bf58df90cf437acce1d364uptime_in_seconds:1961uptime_in_days:0lru_clock:654215used_cpu_sys:29.98used_cpu_user:1.22used_cpu_sys_children:1.76used_cpu_user_children:1.42connected_clients:1connected_slaves:0client_longest_output_list:0client_biggest_input_buf:0blocked_clients:0used_memory:33047696used_memory_human:31.52Mused_memory_rss:34779136used_memory_peak:33064400used_memory_peak_human:31.53Mmem_fragmentation_ratio:1.05mem_allocator:jemalloc-3.0.0loading:0aof_enabled:1changes_since_last_save:0bgsave_in_progress:0last_save_time:1348719252bgrewriteaof_in_progress:0total_connections_received:4total_commands_processed:250311expired_keys:0evicted_keys:0keyspace_hits:0keyspace_misses:0pubsub_channels:0pubsub_patterns:0latest_fork_usec:1119vm_enabled:0role:masteraof_current_size:17908619aof_base_size:16787337aof_pending_rewrite:0aof_buffer_length:0aof_pending_bio_fsync:0db1:keys=250000,expires=0

在Slave上複製資料檔案：
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ tar cvf /home/dongguo/data.tar *
appendonly.aof
dump.rdb

將data.tar上傳到Master上，嘗試恢複資料:
可以看到Master目錄下有一個初始化Slave的資料檔案，很小，將其刪除。
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ ls -l
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 10 Sep 27 00:40 dump.rdb
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ sudo rm -f dump.rdb

然後解壓縮資料檔案：
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ sudo tar xf /home/dongguo/data.tar
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ ls -lh
total 29M
-rw-r--r-- 1 root root 18M Sep 27 01:22 appendonly.aof
-rw-r--r-- 1 root root 12M Sep 27 01:22 dump.rdb

啟動Master上的Redis；
[email protected]:/opt/redis/data/6379$ sudo /etc/init.d/redis start
Starting Redis server...

查看資料是否恢複：
redis 127.0.0.1:6379> INFO

redis_version:2.4.17redis_git_sha1:00000000redis_git_dirty:0arch_bits:64multiplexing_api:epollgcc_version:4.4.5process_id:16959run_id:6e5ba6c053583414e75353b283597ea404494926uptime_in_seconds:22uptime_in_days:0lru_clock:650292used_cpu_sys:0.18used_cpu_user:0.20used_cpu_sys_children:0.00used_cpu_user_children:0.00connected_clients:1connected_slaves:0client_longest_output_list:0client_biggest_input_buf:0blocked_clients:0used_memory:33047216used_memory_human:31.52Mused_memory_rss:34623488used_memory_peak:33047192used_memory_peak_human:31.52Mmem_fragmentation_ratio:1.05mem_allocator:jemalloc-3.0.0loading:0aof_enabled:0changes_since_last_save:0bgsave_in_progress:0last_save_time:1348680180bgrewriteaof_in_progress:0total_connections_received:1total_commands_processed:1expired_keys:0evicted_keys:0keyspace_hits:0keyspace_misses:0pubsub_channels:0pubsub_patterns:0latest_fork_usec:0vm_enabled:0role:masterdb1:keys=250000,expires=0

可以看到25萬條資料已經完整恢複到了Master上。

此時，可以放心的恢複Slave的同步設定了。
redis 127.0.0.1:6379> SLAVEOF 10.6.1.143 6379
OK

查看同步狀態：
redis 127.0.0.1:6379> INFO

redis_version:2.4.17redis_git_sha1:00000000redis_git_dirty:0arch_bits:64multiplexing_api:epollgcc_version:4.4.5process_id:13003run_id:9b8b398fc63a26d160bf58df90cf437acce1d364uptime_in_seconds:2652uptime_in_days:0lru_clock:654284used_cpu_sys:30.01used_cpu_user:2.12used_cpu_sys_children:1.76used_cpu_user_children:1.42connected_clients:2connected_slaves:0client_longest_output_list:0client_biggest_input_buf:0blocked_clients:0used_memory:33056288used_memory_human:31.52Mused_memory_rss:34766848used_memory_peak:33064400used_memory_peak_human:31.53Mmem_fragmentation_ratio:1.05mem_allocator:jemalloc-3.0.0loading:0aof_enabled:1changes_since_last_save:0bgsave_in_progress:0last_save_time:1348719252bgrewriteaof_in_progress:1total_connections_received:6total_commands_processed:250313expired_keys:0evicted_keys:0keyspace_hits:0keyspace_misses:0pubsub_channels:0pubsub_patterns:0latest_fork_usec:12217vm_enabled:0role:slaveaof_current_size:17908619aof_base_size:16787337aof_pending_rewrite:0aof_buffer_length:0aof_pending_bio_fsync:0master_host:10.6.1.143master_port:6379master_link_status:upmaster_last_io_seconds_ago:0master_sync_in_progress:0slave_priority:100db1:keys=250000,expires=0

master_link_status顯示為up，同步狀態正常。

在此次恢複的過程中，我們同時複製了AOF與RDB檔案，那麼到底是哪一個檔案完成了資料的恢複呢？
實際上，當Redis伺服器掛掉時，重啟時將按照以下優先順序恢複資料到記憶體：
1. 如果只配置AOF,重啟時載入AOF檔案恢複資料；
2. 如果同時 配置了RDB和AOF,啟動是只載入AOF檔案恢複資料;
3. 如果只配置RDB,啟動是將載入dump檔案恢複資料。

也就是說，AOF的優先順序要高於RDB，這也很好理解，因為AOF本身對資料的完整性保障要高於RDB。

在此次的案例中，我們通過在Slave上啟用了AOF與RDB來保障了資料，並恢複了Master。

但在我們目前的線上環境中，由於資料都設定有到期時間，採用AOF的方式會不太實用，過於頻繁的寫操作會使AOF檔案增長到異常的龐大，大大超過了我們實際的資料量，這也會導致在進行資料恢複時耗用大量的時間。
因此，可以在Slave上僅開啟Snapshot來進行本地化，同時可以考慮將save中的頻率調高一些或者調用一個計劃任務來進行定期bgsave的快照儲存，來儘可能的保障本地化資料的完整性。
在這樣的架構下，如果僅僅是Master掛掉，Slave完整，資料恢複可達到100%。
如果Master與Slave同時掛掉的話，資料的恢複也可以達到一個可接受的程度。

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Redis持久化方案詳解