一文详解Redis中的持久化
目录
- 1. 前言
- 2. RDB
- 2.1 手动触发
- 2.2 自动触发
- 3. bgsave大致流程
- 4. RDB持久化方式的优缺点
- 5. AOF
- 6. AOF的使用方式
- 7. AOF流程剖析
- 7.1 命令写入
- 7.2 文件同步
- 7.3 重写机制
- 7.4 重启加载
- 8. 问题定位与优化
- 8.1 关于fork操作
- 8.2 关于子进程开销
- 8.3 关于AOF追加阻塞
1. 前言
为什么要进行持久化?:持久化功能有效地避免因进程退出造成的数据丢失问题,当下次重启时利用之前持久化的文件即可实现数据恢复。
持久化都有那些方式?:Redis支持RDB和AOF两种持久化机制。
2. RDB
RDB持久化是把当前进程数据生成快照保存到硬盘的过程,触发RDB持久化过程分为手动触发和自动触发。
2.1 手动触发
手动触发分别对应save
和bgsave
命令:
save
命令::阻塞当前Redis服务器,直到RDB过程完成为止,对于内存比较大的实例会造成长时间阻塞,线上环境不建议使用。bgsave
命令:Redis进程执行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。
显然bgsave命令是针对save阻塞问题做的优化。因此Redis内部所有的涉及RDB的操作都采用bgsave的方式,而save命令已经废弃。
2.2 自动触发
- 使用save相关配置,如
save m n
。表示m秒内数据集存在n次修改时,自动触发bgsave。 - 如果从节点执行全量复制操作,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,也会自动触发save操作。
- 默认情况下执行shutdown命令时,如果没有开启AOF持久化功能则自动执行bgsave。
3. bgsave大致流程
流程说明:
- 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bgsave命令直接返回。
- 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latest_fork_usec选项,可以获取最近一个fork操作的耗时,单位为微秒。 - 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,可以继续响应其他命令。
- 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。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。 - 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rdb_*相关选项。
关于RDB文件:
- 存储位置:RDB文件保存在dir配置指定的目录下,文件名通过dbfilename配置指定。可以通过执行config set dir{newDir}和config set dbfilename{newFileName}运行期动态执行,当下次运行时RDB文件会保存到新目录。
- 压缩:Redis默认采用LZF算法对生成的RDB文件做压缩处理,压缩后的文件远远小于内存大小,默认开启,可以通过参数config set rdbcompression{yes|no}动态修改。
- 校验:如果Redis加载损坏的RDB文件时拒绝启动,并打印
# Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now.
(可以使用Redis提供的redis-check-dump工具检测RDB文件并获取对应的错误报告)。
4. RDB持久化方式的优缺点
优点:
- RDB是一个紧凑压缩的二进制文件,代表Redis在某个时间点上的数据快照。非常适用于备份,全量复制等场景。比如每6小时执行bgsave备份,并把RDB文件拷贝到远程机器或者文件系统中(如hdfs),用于灾难恢复。(数据紧凑,便于存储)
- Redis加载RDB恢复数据远远快于AOF的方式。(恢复速度快)
缺点:
- RDB方式数据没办法做到实时持久化/秒级持久化。因为bgsave每次运行都要执行fork操作创建子进程,属于重量级操作,频繁执行成本过高。(成本高)
- RDB文件使用特定二进制格式保存,Redis版本演进过程中有多个格式的RDB版本,存在老版本Redis服务无法兼容新版RDB格式的问题。(不兼容)
5. 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。主要作用是解决了数据持久化的实时性。
6. AOF的使用方式
- 开启AOF功能需要设置配置:appendonly yes,默认不开启。
- AOF文件名通过appendfilename配置设置,默认文件名是appendonly.aof。(路径同RDB)
- 主要流程有命令写入(append)、文件同步(sync)、文件重写(rewrite)、重启加载(load)。
7. AOF流程剖析
流程描述:
- 所有的写入命令会追加到aof_buf(缓冲区)中。
- AOF缓冲区根据对应的策略向硬盘做同步操作。
- 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。
- 当Redis服务器重启时,可以加载AOF文件进行数据恢复。
7.1 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缓冲区会追加如下文本:
*3\r\n$3\r\nset\r\n$5\r\nhello\r\n$5\r\nworld\r\n
为什么使用文本协议格式?
- 文本协议具有很好的兼容性。(兼容性好)
- 开启AOF后,所有写入命令都包含追加操作,直接采用协议格式,避免了二次处理开销。(处理简单)
- 文本协议具有可读性,方便直接修改和处理。(方便修改)
为什么要追加到aof_buf中而不是直接写入硬盘?
- 如果每次写AOF文件命令都直接追加到硬盘,那么Redis的性能就会受到硬盘读写速度的影响,而硬盘的读写速度相对于内存则是数量级上的差距,所以如果每次直接写入硬盘则势必会大幅度影响Redis的运行速度。(影响运行速度)
- 使用缓冲区暂存,Redis还可以提供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。(可以针对具体场景干预刷盘策略,以达到更好的效果)
7.2 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。
系统调用write和fsync的几点说明:
- write:会触发延迟写(delayed write)机制。Linux在内核提供页缓冲区用来提高硬盘IO性能。write操作在写入系统缓冲区后直接返回。同步硬盘操作依赖于系统调度机制,例如:缓冲区页空间写满或达到特定时间周期。同步文件之前,如果此时系统故障宕机,缓冲区内数据将丢失。(写缓冲,定期由操作系统刷盘)
- fsync:针对单个文件操作(比如AOF文件),做强制硬盘同步,fsync将阻塞直到写入硬盘完成后返回,保证了数据持久化。(立即将缓冲数据刷盘)
策略的几点说明:
- always:每次写入都要同步AOF文件,在一般的SATA硬盘上,Redis只能支持大约几百TPS写入,显然跟Redis高性能特性背道而驰,不建议配置。
- no:由于操作系统每次同步AOF文件的周期不可控,而且会加大每次同步硬盘的数据量,虽然提升了性能,但数据安全性无法保证。
- everysec:是建议的同步策略,也是默认配置,做到兼顾性能和数据安全性。(在系统突然宕机的情况下丢失1~2秒的数据)
7.3 重写机制
为什么要重写?:
- 随着命令不断写入AOF,文件会越来越大。
- 会包含越来越多无用的命令记录。(比如最近一次对一个值的更新操作,那么在此之前记录的更新操作都会作废)
- 更小的AOF文件可以更快地被Redis加载。
怎么重写?:
- AOF文件重写就是把Redis进程内的数据转化为写命令同步到新AOF文件。
重写后那些优化让文件变小了?:
- 进程内已经超时的数据不再写入文件。(去除失效数据)
- 旧的AOF文件含有无效命令,如del key1、hdel key2、srem keys、set a111、set a222等。重写使用进程内数据直接生成,这样新的AOF文件只保留最终数据的写入命令。(去除无用命令)
- 多条写命令可以合并为一个,如:lpush list a、lpush list b、lpush list c可以转化为:lpush list a b c;为了防止单条命令过大造成客户 端缓冲区溢出,对于list、set、hash、zset等类型操作,以64个元素为界拆分为多条。(使用批量命令)
重写有那些触发方式?:
- 手动触发 :直接调用bgrewriteaof命令。
- 自动触发 :根据auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewritepercentage参数确定自动触发时机。
- auto-aof-rewrite-min-size:表示运行AOF重写时文件最小体积,默认为64MB。(根据当前文件大小)
- auto-aof-rewrite-percentage:代表当前AOF文件空间(aof_current_size)和上一次重写后AOF文件空间(aof_base_size)的比值。(根据文件大小的增量)
自动触发时机:
aof_current_size > auto-aof-rewrite-minsize && (aof_current_size-aof_base_size)/aof_base_size >= auto-aof-rewrite-percentage
aof_current_size 和 aof_base_size 可以在info Persistence统计信息中查看。
重写流程概述:
流程描述:
- 执行AOF重写请求。
- 如果当前进程正在执行AOF重写,请求不执行并返回
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完成之后再执行,返回
Background append only file rewriting scheduled
- 如果当前进程正在执行AOF重写,请求不执行并返回
- 父进程执行fork创建子进程,开销等同于bgsave过程。
- (1)主进程fork操作完成后,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,保证原有AOF机制正确性。(2)由于fork操作运用写时复制技术(Copy On Write),子进程只能共享fork操作时的内存数据。由于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。
- 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-rewrite-incremental-fsync控制,默认为32MB,防止单次刷盘数据过多造成硬盘阻塞。
- (1)新AOF文件写入完成后,子进程发送信号给父进程,父进程更新统计信息,具体见info persistence的aof_*相关统计。(2)父进程把AOF重写缓冲区的数据写入到新的AOF文件(3)并使用新AOF文件替换老文件,完成AOF重写。
7.4 重启加载
流程描述:
- AOF持久化开启且存在AOF文件时,优先加载AOF文件,并输出
DB loaded from append only file: xxx seconds
。 - AOF关闭或者AOF文件不存在时,加载RDB文件,并输出
DB loaded from disk: xxx seconds
。 - 加载AOF或RDB文件成功后,Redis启动成功。
- AOF或RDB文件存在错误时,Redis启动失败并打印错误信息。
关于文件校验:
加载损坏的AOF文件时会拒绝启动,并会输出:
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命令进行修复,修复后使用diff-u对比数据的差异,找出丢失的数据,有些可以人工修改补全。
对于AOF文件结尾不完整:比如机器突然掉电导致AOF尾部文件命令写入不全。Redis为我们提供了aof-load-truncated配置来兼容这种情况,默认开启。加载AOF时,当遇到此问题时会忽略并继续启动,同时打印如下警告日志:
# !!! Warning: short read while loading the AOF file !!! # !!! Truncating the AOF at offset 397856725 !!! # AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled
8. 问题定位与优化
8.1 关于fork操作
当Redis做RDB或AOF重写时,一个必不可少的操作就是执行fork操作创建子进程,对于大多数操作系统来说fork是个重量级操作虽然fork创建的子进程不需要拷贝父进程的物理内存空间,但是会复制父进程的空间内存页表,因此fork操作耗时跟进程总内存量息息相关。可以在info stats统计中查latest_fork_usec指标获取最近一次fork操作耗时,单位微秒。
减少fork耗时的措施:
- 优先使用物理机或者高效支持fork操作的虚拟化技术,避免使用Xen。
- 控制Redis实例最大可用内存,fork耗时跟内存量成正比,线上建议每个Redis实例内存控制在10GB以内。
- 合理配置Linux内存分配策略,避免物理内存不足导致fork失败。
- 降低fork操作的频率,如适度放宽AOF自动触发时机,避免不必要的全量复制等。
8.2 关于子进程开销
CPU:
- 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%。
- 优化:
- Redis是CPU密集型服务,不要做绑定单核CPU操作。由于子进程非常消耗CPU,会和父进程产生单核资源竞争。
- 不要和其他CPU密集型服务部署在一起,造成CPU过度竞争。
- 如果部署多个Redis实例,尽量保证同一时刻只有一个子进程执行重写工作。
内存:
- 分析:得益于Linux的写时复制机制(copy on write),父子进程会共享相同的物理内存页,当父进程处理写请求时会把要修改的页创建副本,而子进程在fork操作过程中共享整个父进程内存快照。(重写时共享同一份物理内存区域,内存主要开销在于 拷贝的页表 和 应用 copy on write 时某些页的拷贝 以及在进行AOF重写所使用的 aof_rewrite_buf占用的大小 )
- 优化:
- 如果部署多个Redis实例,尽量保证同一时刻只有一个子进程在工作。
- 避免在大量写入时做子进程重写操作,这样将导致父进程维护大量页副本,造成内存消耗。
- Linux kernel在2.6.38内核增加了Transparent Huge Pages(THP),支持huge page(2MB)的页分配,默认开启。当开启时可以降低fork创 建子进程的速度,但执行fork之后,如果开启THP,复制页单位从原来4KB变为2MB,会大幅增加重写期间父进程内存消耗。
硬盘:
- 分析:子进程主要职责是把AOF或者RDB文件写入硬盘持久化,所以在执行重写的时候势必会增加硬盘的写入压力。根据Redis重写AOF或RDB的数据量,结合系统工具如sar、iostat、iotop等,可分析出重写期间硬盘负载情况。
- 优化:
- 不要和其他高硬盘负载的服务部署在一起。如:存储服务、消息队列服务等。
- AOF重写时会消耗大量硬盘IO,可以开启配置no-appendfsyncon-rewrite,默认关闭。表示在AOF重写期间不做fsync操作,注意!配置no-appendfsync-on-rewrite=yes时,在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。
- 当开启AOF功能的Redis用于高流量写入场景时,Redis的性能会受到硬盘写入性能的影响。
- 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。
8.3 关于AOF追加阻塞
描述:当开启AOF持久化时,常用的同步硬盘的策略是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。
问题定位:
- 发生AOF阻塞时,Redis输出日志,用于记录AOF fsync阻塞导致拖慢Redis服务的行为:
Asynchronous AOF fsync is taking too long (disk is busy). Writing the AOF buffer without waiting for fsync to complete, this may slow down Redi
- 每当发生AOF追加阻塞事件发生时,在info Persistence统计中,aof_delayed_fsync指标会累加,查看这个指标方便定位AOF阻塞问题。
- AOF同步最多允许2秒的延迟,当延迟发生时说明硬盘存在高负载问题。
流程概述:
- 主线程负责写入AOF缓冲区。
- AOF线程负责每秒执行一次同步磁盘操作,并记录最近一次同步时间。
- 主线程负责对比上次AOF同步时间:
- 如果距上次同步成功时间在2秒内,主线程直接返回。
- 如果距上次同步成功时间超过2秒,主线程将会阻塞,直到同步操作完成。
也就是说:
- everysec配置最多可能丢失2秒数据,不是1秒。
- 如果系统fsync缓慢,将会导致Redis主线程阻塞影响效率。
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