分布式进阶（十二）——分布式框架之高性能：Redis数据持久化

Redis作为分布式缓存，数据首先是存储在内存中的，但是为了保证数据不丢失，肯定需要将数据持久化到磁盘上。所以，本章我们就来讲讲Redis的持久化原理。

Redis一共提供了两种数据持久化方式： RDB 、 AOF 。通过RDB或AOF，我们可以将Redis内存中的数据持久化到磁盘上，然后将这些数据备份。如果Redis挂了，可以将备份数据放到指定的目录中，然后重新启动Redis，Redis就会自动根据持久化数据文件中的数据，恢复到内存中，继续对外提供服务。

如果我们仅将Redis作为纯内存的缓存来用，那么可以禁止RDB和AOF。

一、RDB持久化

RDB持久化，是 一次性生成内存快照 的方式，也就是把当前Redis进程的数据生成快照，保存到磁盘上。触发RDB持久化的方式有手动触发和自动触发，生产环境一般都是自动触发，都是通过bgsave命令。

1.1 持久化原理

执行 bgsave 命令后，Redis主进程会执行fork操作创建子进程，RDB持久化过程由子进程负责，完成后自动结束。阻塞只发生在fork阶段，一般时间很短，整个过程如下图：

1. 执行bgsave命令，Redis父进程判断当前是否存在正在执行的子进程，如RDB/AOF子进程，如果存在则直接返回；
2. 父进程执行fork操作创建子进程，fork操作过程中 父进程会阻塞 ；
3. 父进程fork完成后，bgsave命令返回“Background saving started”信息，并不再阻塞父进程，父进程可以继续响应其他命令；
4. 子进程创建RDB文件，根据父进程内存生成临时快照文件，完成后对原有文件进行原子替换；
5. 子进程发送信号通知父进程RDB持久化完成，父进程更新统计信息。

1.2 优点

1. RDB会生成多个数据文件，每个数据文件都代表了某一个时刻中Redis的数据，这种多个数据文件的方式，非常 适合做定期的冷备 ；
2. RDB对Redis正常的读写服务影响非常小，可以让Redis保持高性能，因为Redis主进程只需要fork一个子进程，让子进程执行磁盘IO操作来进行RDB持久化即可；
3. 相对于AOF持久化机制来说，直接基于RDB数据文件来重启和恢复数据更加快速。

1.3 缺点

1. RDB持久化不能做到实时，因为频繁fork子进程的开销是很大的。所以如果想要在Redis故障时，尽可能减少数据丢失，那应该开启AOF。一般来说，RDB数据快照文件，都是每隔5分钟或者更长时间生成一次；
2. RDB每次fork子进程生成数据快照文件时，如果数据文件特别大，可能会导致对客户端提供的服务暂停数毫秒，甚至数秒。所以，我们一般会控制Redis实例的内存在10GB以内。

二、AOF持久化

针对RDB不适合实时持久化的问题，Redis提供了AOF持久化方式。
AOF（append only file）持久化，是对每条写入命令以append-only的模式写入一个AOF日志文件中，在Redis重启的时候，可以通过回放AOF日志中的写入指令来重新构建整个数据集。

持久化的核心原理，和多数开源分布式框架差不多，无非就是先写入os cache，然后定时刷盘。

2.1 持久化原理

Redis可以通过配置参数appendonly来开启AOF持久化。AOF持久化主要分为三个步骤：

1. 命令追加（append）
2. 文件写入（sync）
3. 文件重写（rewrite）

整个流程如下图：

命令追加

Redis的所有写入命令（以文本协议格式）会追加到aof_buf缓冲区的末尾，这个缓冲区其实就是操系统的filesystem cache，可以大幅提升磁盘IO的性能。

文件写入

AOF缓冲区的数据，会根据一定的策略写入到磁盘上的AOF日志文件中，具体有以下几种策略，由参数appendfsync控制：

1. always
每次写入AOF缓存后，立即调用操作系统的fsync命令，将数据刷到磁盘。一般不建议配置，因为会大幅降低吞吐量，除非对数据可用性有非常高的要求。

2. no
由操作系统自身去控制何时将os cache中的数据刷到磁盘上，同步周期不可控。一般也不建议配置。

3. everysec

每隔1秒钟（默认），调用操作系统的fsync命令将数据刷到磁盘。推荐配置。

文件重写

随着AOF日志文件越来越大，需要定期对AOF文件进行rewrite，以达到压缩的目的。
因为AOF会记录每一条写命令，所以会导致对于同一个Key，存在多个冗余命令。Redis会创建一个新的AOF文件来替换老文件，新旧两个文件所保存的数据状态完全相同，但是新文件不会包含任何浪费空间的冗余命令。

主进程通过bgrewriteaof命令进行重写：

1. 父进程fork一个子进程；
2. 子进程根据当前的内存快照，按照命令合并规则（避免命令冗余），写入到新的AOF文件；
3. 在此期间，主进程会把接收到的新的写入命令追加到AOF缓存区（aof_buf），同时再写入一份到AOF重写缓存区（aof_rewrite_buf）；
4. 子进程完成新的AOF文件写入后，会发送信号给父进程；
5. 父进程接受到信号后，把aof_rewrite_buf的数据写入到新的AOF文件中，这样新AOF文件中的数据状态就和当前数据状态是一致的了；
6. 重命名新的AOF文件，覆盖掉老文件，完成AOF重写。

整个流程的示意图如下：

2.2 优点

1. AOF可以更好的保护数据不丢失，AOF默认每隔1秒，通过一个后台线程执行一次fsync操作，所以最多丢失1秒钟的数据；
2. AOF日志文件以append-only模式写入，所以没有任何磁盘寻址的开销，写入性能非常高，而且文件不容易损坏，即使文件尾部破损，也很容易修复；
3. AOF日志文件过大的时候，即使出现重写，由于是后台操作，所以也不会影响客户端的读写。
4. AOF日志文件的命令以可读的方式进行记录，非常适合做灾难性的误删除操作的紧急恢复。比如某人不小心用flushall命令清空了所有数据，只要这个时候后台rewrite还没有发生，那么就可以立即拷贝AOF文件，将最后一条flushall命令删除，然后再将该AOF文件放回去，就可以通过恢复机制，自动恢复所有数据。

2.3 缺点

1. 对于同一份数据来说，AOF日志文件通常比RDB数据快照文件更大；
2. AOF开启后，支持的写QPS会比RDB低，因为AOF一般会配置成每秒fsync一次日志文件；
3. AOF这种基于命令日志回放的方式，比RDB每次持久化一份完整数据快照的方式，更加脆弱一些，容易有bug。不过AOF就是为了避免rewrite过程导致的bug，因此每次rewrite并不是基于旧的指令日志进行merge的，而是基于当时内存中的数据，进行指令的重新构建，这样健壮性会好很多。

三、总结

本章，我介绍了Redis进行数据持久化的两种方式RBD和AOF，并对它们的持久化原理做了深入分析。那么RDB和AOF到底该如何选择呢？事实上，它们两者并不是非此即彼的关系，生产环境一般会综合使用AOF和RDB，用AOF来保证数据不丢失，作为数据恢复的第一选择，用RDB来做周期型的冷备，在AOF文件都丢失或损坏不可用的时候，还可以使用RDB来进行快速的数据恢复。

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