解密Redis持久化

openkk 13年前

　　本文内容来源于 Redis 作者博文，Redis 作者说，他看到的所有针对 Redis 的讨论中，对 Redis持久化的误解是最大的，于是他写了一篇长文来对 Redis 的持久化进行了系统性的论述。文章非常长，也很值得一看，NoSQLFan 将主要内容简述成本文。

　　什么是持久化，简单来讲就是将数据放到断电后数据不会丢失的设备中。也就是我们通常理解的硬盘上。

　　写操作的流程

　　首先我们来看一下数据库在进行写操作时到底做了哪些事，主要有下面五个过程。

  1. 客户端向服务端发送写操作（数据在客户端的内存中）
  2. 数据库服务端接收到写请求的数据（数据在服务端的内存中）
  3. 服务端调用 write (2) 这个系统调用，将数据往磁盘上写（数据在系统内存的缓冲区中）
  4. 操作系统将缓冲区中的数据转移到磁盘控制器上（数据在磁盘缓存中）
  5. 磁盘控制器将数据写到磁盘的物理介质中（数据真正落到磁盘上）

　　故障分析

　　写操作大致有上面 5 个流程，下面我们结合上面的 5 个流程看一下各种级别的故障。

  • 当数据库系统故障时，这时候系统内核还是 OK 的，那么此时只要我们执行完了第 3 步，那么数据就是安全的，因为后续操作系统会来完成后面几步，保证数据最终会落到磁盘上。
  • 当系统断电，这时候上面 5 项中提到的所有缓存都会失效，并且数据库和操作系统都会停止工作。所以只有当数据在完成第 5 步后，机器断电才能保证数据不丢失，在上述四步中的数据都会丢失。

　　通过上面 5 步的了解，可能我们会希望搞清下面一些问题：

  • 数据库多长时间调用一次 write (2)，将数据写到内核缓冲区
  • 内核多长时间会将系统缓冲区中的数据写到磁盘控制器
  • 磁盘控制器又在什么时候把缓存中的数据写到物理介质上

　　对于第一个问题，通常数据库层面会进行全面控制。而对第二个问题，操作系统有其默认的策略，但是我们也可以通过 POSIX API 提供的 fsync 系列命令强制操作系统将数据从内核区写到磁盘控制器上。对于第三个问题，好像数据库已经无法触及，但实际上，大多数情况下磁盘缓存是被设置关闭的。或者是只开启为读缓存，也就是写操作不会进行缓存，直接写到磁盘。建议的做法是仅仅当你的磁盘设备有备用电池时才开启写缓存。

　　数据损坏

　　所谓数据损坏，就是数据无法恢复，上面我们讲的都是如何保证数据是确实写到磁盘上去，但是写到磁盘上可能并不意味着数据不会损坏。比如我们可能一次写请求会进行两次不同的写操作，当意外发生时，可能会导致一次写操作安全完成，但是另一次还没有进行。如果数据库的数据文件结构组织不合理，可能就会导致数据完全不能恢复的状况出现。

　　这里通常也有三种策略来组织数据，以防止数据文件损坏到无法恢复的情况：

  • 第一种是最粗糙的处理，就是不通过数据的组织形式保证数据的可恢复性。而是通过配置数据同步备份的方式，在数据文件损坏后通过数据备份来进行恢复。实际上 MongoDB 在不开启 journaling 日志，通过配置 Replica Sets 时就是这种情况。
  • 另一种是在上面基础上添加一个操作日志，每次操作时记一下操作的行为，这样我们可以通过操作日志来进行数据恢复。因为操作日志是顺序追加的方式写的，所以不会出现操作日志也无法恢复的情况。这也类似于 MongoDB 开启了 journaling 日志的情况。
  • 更保险的做法是数据库不进行老数据的修改，只是以追加方式去完成写操作，这样数据本身就是一份日志，这样就永远不会出现数据无法恢复的情况了。实际上 CouchDB 就是此做法的优秀范例。

　　RDB 快照

　　下面我们说一下 Redis 的第一个持久化策略，RDB 快照。Redis 支持将当前数据的快照存成一个数据文件的持久化机制。而一个持续写入的数据库如何生成快照呢。Redis 借助了 fork 命令的 copy on write 机制。在生成快照时，将当前进程 fork 出一个子进程，然后在子进程中循环所有的数据，将数据写成为 RDB 文件。

　　我们可以通过 Redis 的 save 指令来配置 RDB 快照生成的时机，比如你可以配置当 10 分钟以内有 100 次写入就生成快照，也可以配置当 1 小时内有 1000 次写入就生成快照，也可以多个规则一起实施。这些规则的定义就在 Redis 的配置文件中，你也可以通过 Redis 的 CONFIG SET 命令在 Redis 运行时设置规则，不需要重启 Redis。

　　Redis 的 RDB 文件不会坏掉，因为其写操作是在一个新进程中进行的，当生成一个新的 RDB 文件时，Redis 生成的子进程会先将数据写到一个临时文件中，然后通过原子性 rename 系统调用将临时文件重命名为 RDB 文件，这样在任何时候出现故障，Redis 的 RDB 文件都总是可用的。

　　同时，Redis 的 RDB 文件也是 Redis 主从同步内部实现中的一环。

　　但是，我们可以很明显的看到，RDB 有他的不足，就是一旦数据库出现问题，那么我们的 RDB 文件中保存的数据并不是全新的，从上次 RDB 文件生成到 Redis 停机这段时间的数据全部丢掉了。在某些业务下，这是可以忍受的，我们也推荐这些业务使用 RDB 的方式进行持久化，因为开启 RDB 的代价并不高。但是对于另外一些对数据安全性要求极高的应用，无法容忍数据丢失的应用，RDB 就无能为力了，所以 Redis 引入了另一个重要的持久化机制：AOF 日志。

　　AOF 日志

　　aof 日志的全称是 append only file，从名字上我们就能看出来，它是一个追加写入的日志文件。与一般数据库的 binlog 不同的是，AOF 文件是可识别的纯文本，它的内容就是一个个的 Redis 标准命令。比如我们进行如下实验，使用 Redis2.6 版本，在启动命令参数中设置开启 aof 功能：

./redis-server --appendonly yes

　　然后我们执行如下的命令：

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

　　这时我们查看 AOF 日志文件，就会得到如下内容：

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

　　可以看到，写操作都生成了一条相应的命令作为日志。其中值得注意的是最后一个 del 命令，它并没有被记录在 AOF 日志中，这是因为 Redis 判断出这个命令不会对当前数据集做出修改。所以不需要记录这个无用的写命令。另外 AOF 日志也不是完全按客户端的请求来生成日志的，比如命令 INCRBYFLOAT 在记 AOF 日志时就被记成一条 SET 记录，因为浮点数操作可能在不同的系统上会不同，所以为了避免同一份日志在不同的系统上生成不同的数据集，所以这里只将操作后的结果通过 SET 来记录。

　　AOF 重写

　　你可以会想，每一条写命令都生成一条日志，那么 AOF 文件是不是会很大？答案是肯定的，AOF 文件会越来越大，所以 Redis 又提供了一个功能，叫做 AOF rewrite。其功能就是重新生成一份 AOF 文件，新的 AOF 文件中一条记录的操作只会有一次，而不像一份老文件那样，可能记录了对同一个值的多次操作。其生成过程和 RDB 类似，也是 fork 一个进程，直接遍历数据，写入新的 AOF 临时文件。在写入新文件的过程中，所有的写操作日志还是会写到原来老的 AOF 文件中，同时还会记录在内存缓冲区中。当重完操作完成后，会将所有缓冲区中的日志一次性写入到临时文件中。然后调用原子性的 rename 命令用新的 AOF 文件取代老的 AOF 文件。

　　从上面的流程我们能够看到，RDB 和 AOF 操作都是顺序 IO 操作，性能都很高。而同时在通过 RDB 文件或者 AOF 日志进行数据库恢复的时候，也是顺序的读取数据加载到内存中。所以也不会造成磁盘的随机读。

　　AOF 可靠性设置

　　AOF 是一个写文件操作，其目的是将操作日志写到磁盘上，所以它也同样会遇到我们上面说的写操作的 5 个流程。那么写 AOF 的操作安全性又有多高呢。实际上这是可以设置的，在 Redis 中对 AOF 调用 write (2)写入后，何时再调用 fsync 将其写到磁盘上，通过 appendfsync 选项来控制，下面 appendfsync 的三个设置项，安全强度逐渐变强。

　　appendfsync no

　　当设置 appendfsync 为 no 的时候，Redis 不会主动调用 fsync 去将 AOF 日志内容同步到磁盘，所以这一切就完全依赖于操作系统的调试了。对大多数 Linux 操作系统，是每 30 秒进行一次 fsync，将缓冲区中的数据写到磁盘上。

　　appendfsync everysec

　　当设置 appendfsync 为 everysec 的时候，Redis 会默认每隔一秒进行一次 fsync 调用，将缓冲区中的数据写到磁盘。但是当这一次的 fsync 调用时长超过 1 秒时。Redis 会采取延迟 fsync 的策略，再等一秒钟。也就是在两秒后再进行 fsync，这一次的 fsync 就不管会执行多长时间都会进行。这时候由于在 fsync 时文件描述符会被阻塞，所以当前的写操作就会阻塞。

　　所以，结论就是，在绝大多数情况下，Redis 会每隔一秒进行一次 fsync。在最坏的情况下，两秒钟会进行一次 fsync 操作。

　　这一操作在大多数数据库系统中被称为 group commit，就是组合多次写操作的数据，一次性将日志写到磁盘。

　　appednfsync always

　　当设置 appendfsync 为 always 时，每一次写操作都会调用一次 fsync，这时数据是最安全的，当然，由于每次都会执行 fsync，所以其性能也会受到影响。

　　对于 pipelining 有什么不同

　　对于 pipelining 的操作，其具体过程是客户端一次性发送N个命令，然后等待这N个命令的返回结果被一起返回。通过采用 pipilining 就意味着放弃了对每一个命令的返回值确认。由于在这种情况下，N个命令是在同一个执行过程中执行的。所以当设置 appendfsync 为 everysec 时，可能会有一些偏差，因为这N个命令可能执行时间超过 1 秒甚至 2 秒。但是可以保证的是，最长时间不会超过这N个命令的执行时间和。

　　与 postgreSQL 和 MySQL 的比较

　　这一块就不多说了，由于上面操作系统层面的数据安全已经讲了很多，所以其实不同的数据库在实现上都大同小异。总之最后的结论就是，在 Redis 开启 AOF 的情况下，其单机数据安全性并不比这些成熟的 SQL 数据库弱。

　　数据导入

　　这些持久化的数据有什么用，当然是用于重启后的数据恢复。Redis 是一个内存数据库，无论是 RDB 还是 AOF，都只是其保证数据恢复的措施。所以 Redis 在利用 RDB 和 AOF 进行恢复的时候，都会读取 RDB 或 AOF 文件，重新加载到内存中。相对于 MySQL 等数据库的启动时间来说，会长很多，因为 MySQL 本来是不需要将数据加载到内存中的。

　　但是相对来说，MySQL 启动后提供服务时，其被访问的热数据也会慢慢加载到内存中，通常我们称之为预热，而在预热完成前，其性能都不会太高。而 Redis 的好处是一次性将数据加载到内存中，一次性预热。这样只要 Redis 启动完成，那么其提供服务的速度都是非常快的。

　　而在利用 RDB 和利用 AOF 启动上，其启动时间有一些差别。RDB 的启动时间会更短，原因有两个，一是 RDB 文件中每一条数据只有一条记录，不会像 AOF 日志那样可能有一条数据的多次操作记录。所以每条数据只需要写一次就行了。另一个原因是 RDB 文件的存储格式和 Redis 数据在内存中的编码格式是一致的，不需要再进行数据编码工作。在 CPU 消耗上要远小于 AOF 日志的加载。

　　好了，大概内容就说到这里。更详细完整的版本请看 Redis 作者的博文：Redis persistence demystified。本文如有描述不周之处，就大家指正。