Redis开发与运维笔记_持久化

参考书籍：Redis开发与运维^[1]

持久化

RDB

RDB持久化就是把当前数据生成快照保存到硬盘的过程。

触发机制

手动触发分为save
和bgsave

•save
:阻塞当前Redis服务器，线上不建议使用•bgsave
:fork创建子进程进行持久化。fork期间会阻塞

除执行命令手动触发之外，Redis内部还存在自动触发RDB的持久化机制，例如以下场景：

•使用save
相关配置,如save m n
。m秒内数据集存在n此修改，自动触发bgsave
•主从复制，主节点自动执行bgsave
生成RDB文件并发送给从节点•执行debug reload
命令重新加载Redis时，会自动触发save
操作•默认情况下执行shutdown
命令，如果没有开启AOF持久化功能则自动执行bgsave

流程说明

1.执行bgsave命令，Redis父进程判断是否存在正在执行的子进程，如RDB/AOF子进程，如果存在bgsave命令直接返回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，通过info stats
命令查看lasted_fork_usec
选项，可以获取最近一个fork操作的耗时，单位为微妙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，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。执行lastsave
命令可以获取最后一次生成RDB的时间，对应info统计的rdb_last_save_time
选项。5.子进程发送信号给父进程表示完成，父进程更新统计信息，具体见info Persistence
下的rbd_*相关选项。

RDB文件的处理

config set dir {newDir} # rdb文件保存路径
config set dbfilename {newFileName} # rdb文件名

遇到坏盘或磁盘写满的情况时，可以通过config set dir {newDir}在线修改文件路径，之后执行bgsave进行磁盘切换，同样适用于AOF持久化文件 Redis默认采用LZF算法对生成的RDB文件做压缩处理。可以通过参数config set rdbcompression {yes|no}
动态修改，默认开启。Redis加载损坏的RDB文件时拒绝启动，并打印如下日志# Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now.
，此时可以通过redis-check-dump
工具检测RDB文件并获取对应的错误报告

RDB的优缺点

优点：

•RDB是一个紧凑的二进制文件，代表Redis在某个时间点上的数据快照。非常适合备份、全量复制等场景。比如每6小时备份，并存储到远程机器(或文件系统)，用于灾难恢复•Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式

缺点：

•RDB方式数据没办法做到实时持久化。bgsave属于重量级操作，执行成本高•RDB文件格式随着Redis版本升级不断演进，存在兼容性问题。

AOF

AOF(append only file)持久化：以独立日志的方式记录每次写命令，重启时再重新执行AOF文件中的命令达到恢复数据的目的。AOF主要解决的数据持久化的实时性，目前已经是Redis持久化的主流方式。

使用AOF

AOF通过appendonl yes
开启，默认不开启，AOF文件名通过appendfilename
配置进行配置，保存路径同RDB一直，通过dir
指定。AOF的工作流程如下：

1.所有的写入命令会追加到aof_buf(缓冲区)中2.AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作3.随着AOF文件越来越大，需要定期对AOF文件进行重写，达到压缩的目的4.当Redis服务器重启时，可以加载AOF文件进行数据恢复

命令写入

AOF命令写入的内容直接是文本协议格式。例如set hello world
这条命令，在AOF缓冲区会追加以下文本*3\r\n$3\r\nset\r\n$5\r\nhello\r\n$5\r\nworld\r\n

•为什么直接采用文本协议格式

•文本协议具有很好的兼容性•直接采用协议格式，避免二次处理开销•具有可读性，方便直接修改和处理

•为什么将命令追加到aof_buf
中。Redis使用单线程响应命令，如果每次写AOF文件命令都直接追加到硬盘，那么性能完全取决于当前硬盘负载。先写入缓冲区aof_buf中，就可以使用多种缓冲区同步硬盘的策略，在性能和安全性方面做出平衡。

文件同步

Redis提供了多种AOF缓冲区同步文件策略，由参数appendfsync
控制。

•write
操作会触发延迟写(delayed write)机制。Linux在内核提供页缓冲区来提高IO性能。write操作写入系统缓冲区后直接返回。同步硬盘操作依赖系统调度机制(固定周期或缓冲区页满)。同步文件之前，若此时系统故障宕机，缓冲区内数据将丢失。•fsync
针对单个文件操作(AOF文件)。强制硬盘同步，fsync
将阻塞直到写入硬盘，保证了数据的持久化•建议配置为everysec
，兼顾性能和数据安全性。

重写机制

AOF文件重写就是将Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件的过程。

重写后为什么可以变小？

•进程内已经超时的数据不再写入文件•移除了AOF文件内的无效命令，如del key
等，重写使用进程内数据直接生成，新的AOF文件只保留最终数据的写入命令。•多条命令可以合并为一个，如lpush list a,lpush list b,lpush c
合并为lpush list a b c
。为防止单条命令过大造成客户端缓冲区溢出，对于list、set、zset等类型操作。以64个元素为界拆分为多条。

AOF重写过程可以手动触发和自动触发：

•手动触发： bgrewriteaof
•自动触发：根据auto-aof-rewrite-min-size
和auto-aof-rewrite-percentage
参数确定自动触发时机

•auto-aof-rewrite-min-size
表示AOF重写时文件的最小体积，默认64MB。•auto-aof-rewrite-percentage
表示当前AOF文件增量(aof_current_size-aof_base_size)和上一次重写后AOF文件空间(aof_base_size)的比值。•自动触发时机： aof_current_size>auto-aof-rewrite-size && (aof_current_size-aof_base_size)/aof_base_size >= auto-aof-rewrite-percentage

AOF重写流程：

1.如果当前进程正在执行AOF重写，请求不执行并返回如下响应 ERR Background append only file rewriting already in progress
。如果当前进程正在执行bgsave
操作，重写命令延迟到bgsave
完成之后在执行，返回如下响应:Background append only file rewriting scheduled

2.父进程执行fork创建子进程，开销等同于bgsave
过程

3. 主进程fork完成后，继续响应其他命令，所有修改命令依然写入AOF缓冲区并根据appendfsync
策略同步到硬盘，保证旧AOF机制正确性；fork运用写时复制技术，子进程只能共享fork操作时的内存数据，3.2）此时父进程依然响应命令，Redis使用"AOF重写缓冲区“保存这部分新数据。防止新AOF文件生成期间丢失这部分数据

4.子进程根据内存快照，按照命令合并规则写入到新的AOF文件。每次批量写入硬盘数据量由配置aof-rewirte-incremental-fsync
控制。默认为32MB，防止单次刷盘数据过多造成硬盘阻塞。

5.新AOF文件写入完成后，子进程发信号给父进程。父进程更新统计信息，具体见info persistence
下的aof_*相关统计。5.2）父进程把AOF重写缓冲拿过去的数据写入到AOF文件。5.3）使用新AOF文件替换老文件，完成AOF重写。

重启加载

优先加载AOF文件。AOF/RDB文件加载成功后，Redis启动成功，加载失败时，打印错误信息。

文件校验

加载损坏的AOF文件时会拒绝启动，并打印如下日志:

# Bad file format reading the append only file: make a backup of your AOF file, then use ./redis-check-aof --fix <filename>

•对于错误格式的AOF文件，先进行备份，然后采用redis-check-aof --fix
命令修复，然后通过diff对比，找出丢失的数据，进而人工修改补全。Redis实例所在服务器突然断电导致AOF文件结尾不完整，Redis提供aof-load-truncated
配置来兼容这种情况，默认开启。加载AOF时，遇到此问题会忽略并继续启动。同时打印警告日志。

# !!! Warning: short read while loading the AOF file !!!
# !!! Truncating the AOF at offset 397856725 !!!
# AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled

问题定位与优化

fork操作

fork操作耗时，通过info stats
统计中查看lasted_fork_usec
获取最近一次fork操作耗时(微妙)

改善fork操作的耗时：

1.有限使用物理机或者高效支持fork操作的虚拟化技术2.控制Redis实例最大可用内存，fork耗时和内存量成正比。线上建议10GB以内3.合理配置Linux内存分配策略，避免物理内存不足导致fork失败4.降低fork操作的频率，比如适度放宽AOF自动触发时机，避免不必要的全量复制等

子进程开销监控和优化

子进程负责AOF或者RDB文件的重写，它的运行过程主要涉及CPU、内存、硬盘三部分的消耗。

CPU

•CPU开销分析。子进程负责把进程内的数据分批写入文件，这个过程属于CPU密集操作，通常子进程对单核CPU利用率接近90%•CPU消耗优化。Redis是CPU密集型服务，不要做绑定单核CPU操作。避免子进程和父进程竞争单核资源。避免和其他CPU密集型服务部署在一起。多实例部署时，尽量保证同一时刻只有一个子进程执行重写工作。

内存

•内存消耗分析。子进程通过fork操作产生，Linux有写时复制机制(copy on write)。父子进程共享内存页，父进程处理写请求时会把要修改的页创建副本。

•内存消耗监控。RDB重写时，Redis日志输出内容如下：

* Background saving started by pid 7692
* DB saved on disk
* RDB: 5 MB of memory used by copy-on-write
* Background saving terminated with success

•重写过程中如果存在内存修改操作，父进程负责拷贝副本，从日志中看出这部分内存消耗了5MB，可以等价认为RDB重写消耗了5MB的内存。

AOF重写时，Redis日志输出内容如下：

* Background append only file rewriting started by pid 8937 
* AOF rewrite child asks to stop sending diffs.
* Parent agreed to stop sending diffs. Finalizing AOF... 
* Concatenating 0.00 MB of AOF diff received from parent. 
* SYNC append only file rewrite performed
* AOF rewrite: 53 MB of memory used by copy-on-write
* Background AOF rewrite terminated with success
* Residual parent diff successfully flushed to the rewritten AOF (1.49 MB) 
* Background AOF rewrite finished successfully

•父进程维护页副本消耗同RDB重写过程类似，不同之处在于AOF重写需要AOF重写缓冲区。根据以上日志预估内存消耗为:53MB+1.49MB。

硬盘

•硬盘开销分析。持久化文件造成的硬盘开销。结合系统工具如sar,iostat,iotop等工具，可以分析出硬盘负载情况•硬盘开销优化

•避免和其他高硬盘负载服务部署在一起。如：存储服务、消息队列服务•AOF重写时会消耗大量硬盘IO，可以开启配置no-appendfsync-on-rewrite
，默认关闭。表示在AOF期间不做fsync操作•当开启AOF功能的Redis用于高流量写入场景时，普通机械磁盘，写入吞吐量在100MB/s左右，此时Redis实例的瓶颈主要在AOF同步硬盘上•对于单机配置多个Redis实例的情况，可以配置不同实例分盘存储AOF文件，分摊硬盘写入压力。

配置no-appendfsync-on-write=yes
时，极端情况下可能丢失整个AOF重写期间的数据，需要根据数据安全性决定是否配置。

AOF追加阻塞

AOF持久化常用的同步硬盘策略是everysec
，用于平衡性能和数据安全性。对于这种方式，Redis使用另一条线程每秒执行fsync
同步硬盘。当系统硬盘资源繁忙时，会造成Redis主线程阻塞。如下图所示

阻塞流程分析：

1.主线程负责写入AOF缓冲区2.AOF线程每秒执行一次同步磁盘操作，并记录最近一次同步时间3.主线程负责对比上次AOF同步时间：

•如果上次同步成功时间在2秒内，主线程直接返回•如果超过2秒，主线程将阻塞，知道同步操作完成

通过对AOF阻塞流程的分析可以发现:

1.everysec配置最多可能丢失2秒数据，不是1秒2.如果系统fsync缓慢，将会导致Redis主线程阻塞影响效率

AOF阻塞问题定位：

1.发生AOF阻塞时，日志如下

Asynchronous AOF fsync is taking too long (disk is busy). Writing the AOF buffer without waiting for fsync to complete, this may slow down Redis

2.每当发生AOF追加阻塞事件时，在info Persistence
统计中，aof_delayed_fsync
指标会累加，查看指标方便定位AOF阻塞问题3.AOF同步最多允许2秒的延迟，可以使用iotop，定位消耗硬盘IO资源的进程。

多实例部署

Redis单线程架构无法充分利用COU多核特性，通常做法是在一台机器上部署多个Redis实例。当开启AOF后，彼此之间会产生对CPU和IO的竞争。

我们可以通过info Persistence
监控子进程运行状况。通过外部定时器方式轮询检查各个实例是否需要进行持久化。

本章重点回顾

1.Redis提供了两种持久化方式：RDB和AOF2.RDB使用一次性生成内存快照的方式，产生的文件紧凑压缩比更高，因此读取RDB恢复速度更快。由于每次生成RDB开销较大，无法做到实时持久化，一般用于数据冷备和复制传输3.save命令会阻塞主线程，不建议使用。bgsave
命令通过fork操作创建子进程生成RDB避免阻塞4.AOF通过追加写命令到文件实现持久化，通过appendfsync
参数可以控制实时/秒级持久化5.AOF可以通过auto-aof-rewrite-min-size
和auto-aof-rewrite-percentage
参数控制自动触发，也可以使用bgwriteaof
命令手动触发6.子进程执行期间使用copy-on-write
机制与父进程共享内存，避免内存消耗翻倍。AOF重写期间还需要维护重写缓冲区，保存新的写入命令避免数据丢失7.持久化阻塞主线程场景有:fork阻塞和AOF追加阻塞。fork阻塞时间跟内存量和系统有关，AOF追加阻塞说明硬盘资源紧张8.单机下部署多个实例时，为了防止出现多个子进程执行重写操作，建议做隔离控制，避免CPU和I/O资源竞争

References

[1]
 Redis开发与运维: https://book.douban.com/subject/26971561/