一、Redis高可用概述

在介紹Redis高可用之前，先說明一下在Redis的語境中高可用的含義。

我們知道，在web伺服器中，高可用是指伺服器可以正常訪問的時間，衡量的標準是在多長時間內可以提供正常服務（99.9%、99.99%、99.999% 等等）。但是在Redis語境中，高可用的含義似乎要寬泛一些，除了保證提供正常服務(如主從分離、快速容災技術)，還需要考慮資料容量的擴充套件、資料安全不會丟失等。

在Redis中，實現高可用的技術主要包括持久化、複製、哨兵和叢集，下面分別說明它們的作用，以及解決了什麼樣的問題。

1. 持久化：持久化是最簡單的高可用方法(有時甚至不被歸為高可用的手段)，主要作用是資料備份，即將資料儲存在硬碟，保證資料不會因程序退出而丟失。

2. 複製：複製是高可用Redis的基礎，哨兵和叢集都是在複製基礎上實現高可用的。複製主要實現了資料的多機備份，以及對於讀操作的負載均衡和簡單的故障恢復。缺陷：故障恢復無法自動化；寫操作無法負載均衡；儲存能力受到單機的限制。

3. 哨兵：在複製的基礎上，哨兵實現了自動化的故障恢復。缺陷：寫操作無法負載均衡；儲存能力受到單機的限制。

4. 叢集：通過叢集，Redis解決了寫操作無法負載均衡，以及儲存能力受到單機限制的問題，實現了較為完善的高可用方案。

二、Redis持久化概述

持久化的功能：Redis是記憶體資料庫，資料都是儲存在記憶體中，為了避免程序退出導致資料的永久丟失，需要定期將Redis中的資料以某種形式(資料或命令)從記憶體儲存到硬碟；當下次Redis重啟時，利用持久化檔案實現資料恢復。除此之外，為了進行災難備份，可以將持久化檔案拷貝到一個遠端位置。

Redis持久化分為RDB持久化和AOF持久化：前者將當前資料儲存到硬碟，後者則是將每次執行的寫命令儲存到硬碟（類似於MySQL的binlog）；由於AOF持久化的實時性更好，即當程序意外退出時丟失的資料更少，因此AOF是目前主流的持久化方式，不過RDB持久化仍然有其用武之地。

下面依次介紹RDB持久化和AOF持久化；由於Redis各個版本之間存在差異，如無特殊說明，以Redis3.0為準。

三、RDB持久化

RDB持久化是將當前程序中的資料生成快照儲存到硬碟(因此也稱作快照持久化)，儲存的檔案字尾是rdb；當Redis重新啟動時，可以讀取快照檔案恢復資料。

1. 觸發條件

RDB持久化的觸發分為手動觸發和自動觸發兩種。

1) 手動觸發

save命令和bgsave命令都可以生成RDB檔案。

save命令會阻塞Redis伺服器程序，直到RDB檔案建立完畢為止，在Redis伺服器阻塞期間，伺服器不能處理任何命令請求。

而bgsave命令會建立一個子程序，由子程序來負責建立RDB檔案，父程序(即Redis主程序)則繼續處理請求。

此時伺服器執行日誌如下：

bgsave命令執行過程中，只有fork子程序時會阻塞伺服器，而對於save命令，整個過程都會阻塞伺服器，因此save已基本被廢棄，線上環境要杜絕save的使用；後文中也將只介紹bgsave命令。此外，在自動觸發RDB持久化時，Redis也會選擇bgsave而不是save來進行持久化；下面介紹自動觸發RDB持久化的條件。

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2) 自動觸發

save m n

自動觸發最常見的情況是在配置檔案中通過save m n，指定當m秒內發生n次變化時，會觸發bgsave。

例如，檢視redis的預設配置檔案(Linux下為redis根目錄下的redis.conf)，可以看到如下配置資訊：

其中save 900 1的含義是：當時間到900秒時，如果redis資料發生了至少1次變化，則執行bgsave；save 300 10和save 60 10000同理。當三個save條件滿足任意一個時，都會引起bgsave的呼叫。

save m n的實現原理

Redis的save m n，是通過serverCron函式、dirty計數器、和lastsave時間戳來實現的。

serverCron是Redis伺服器的週期性操作函式，預設每隔100ms執行一次；該函式對伺服器的狀態進行維護，其中一項工作就是檢查 save m n 配置的條件是否滿足，如果滿足就執行bgsave。

dirty計數器是Redis伺服器維持的一個狀態，記錄了上一次執行bgsave/save命令後，伺服器狀態進行了多少次修改(包括增刪改)；而當save/bgsave執行完成後，會將dirty重新置為0。

例如，如果Redis執行了set mykey helloworld，則dirty值會+1；如果執行了sadd myset v1 v2 v3，則dirty值會+3；注意dirty記錄的是伺服器進行了多少次修改，而不是客戶端執行了多少修改資料的命令。

lastsave時間戳也是Redis伺服器維持的一個狀態，記錄的是上一次成功執行save/bgsave的時間。

save m n的原理如下：每隔100ms，執行serverCron函式；在serverCron函式中，遍歷save m n配置的儲存條件，只要有一個條件滿足，就進行bgsave。對於每一個save m n條件，只有下面兩條同時滿足時才算滿足：

（1）當前時間-lastsave > m

（2）dirty >= n

save m n 執行日誌

下圖是save m n觸發bgsave執行時，伺服器列印日誌的情況：

其他自動觸發機制

除了save m n 以外，還有一些其他情況會觸發bgsave：

• 在主從複製場景下，如果從節點執行全量複製操作，則主節點會執行bgsave命令，並將rdb檔案傳送給從節點

• 執行shutdown命令時，自動執行rdb持久化，如下圖所示：

2. 執行流程

前面介紹了觸發bgsave的條件，下面將說明bgsave命令的執行流程，如下圖所示(圖片來源：https://blog.csdn.net/a1007720052/article/details/79126253)：

圖片中的5個步驟所進行的操作如下：

1)  Redis父程序首先判斷：當前是否在執行save，或bgsave/bgrewriteaof（後面會詳細介紹該命令）的子程序，如果在執行則bgsave命令直接返回。bgsave/bgrewriteaof 的子程序不能同時執行，主要是基於效能方面的考慮：兩個併發的子程序同時執行大量的磁碟寫操作，可能引起嚴重的效能問題。

2)  父程序執行fork操作建立子程序，這個過程中父程序是阻塞的，Redis不能執行來自客戶端的任何命令

3)  父程序fork後，bgsave命令返回”Background saving started”資訊並不再阻塞父程序，並可以響應其他命令

4)  子程序建立RDB檔案，根據父程序記憶體快照生成臨時快照檔案，完成後對原有檔案進行原子替換

5)  子程序傳送訊號給父程序表示完成，父程序更新統計資訊

3. RDB檔案

RDB檔案是經過壓縮的二進位制檔案，下面介紹關於RDB檔案的一些細節。

儲存路徑

RDB檔案的儲存路徑既可以在啟動前配置，也可以通過命令動態設定。

配置：dir配置指定目錄，dbfilename指定檔名。預設是Redis根目錄下的dump.rdb檔案。

動態設定：Redis啟動後也可以動態修改RDB儲存路徑，在磁碟損害或空間不足時非常有用；執行命令為config set dir {newdir}和config set dbfilename {newFileName}。如下所示(Windows環境)：

RDB檔案格式

RDB檔案格式如下圖所示（圖片來源：《Redis設計與實現》）：

其中各個欄位的含義說明如下：

1)  REDIS：常量，儲存著”REDIS”5個字元。

2)  db_version：RDB檔案的版本號，注意不是Redis的版本號。

3)  SELECTDB 0 pairs：表示一個完整的資料庫(0號資料庫)，同理SELECTDB 3 pairs表示完整的3號資料庫；只有當資料庫中有鍵值對時，RDB檔案中才會有該資料庫的資訊(上圖所示的Redis中只有0號和3號資料庫有鍵值對)；如果Redis中所有的資料庫都沒有鍵值對，則這一部分直接省略。其中：SELECTDB是一個常量，代表後面跟著的是資料庫號碼；0和3是資料庫號碼；pairs則儲存了具體的鍵值對資訊，包括key、value值，及其資料型別、內部編碼、過期時間、壓縮資訊等等。

4)  EOF：常量，標誌RDB檔案正文內容結束。

5)  check_sum：前面所有內容的校驗和；Redis在載入RBD檔案時，會計算前面的校驗和並與check_sum值比較，判斷檔案是否損壞。

壓縮

Redis預設採用LZF演算法對RDB檔案進行壓縮。雖然壓縮耗時，但是可以大大減小RDB檔案的體積，因此壓縮預設開啟；可以通過命令關閉：

需要注意的是，RDB檔案的壓縮並不是針對整個檔案進行的，而是對資料庫中的字串進行的，且只有在字串達到一定長度(20位元組)時才會進行。

4. 啟動時載入

RDB檔案的載入工作是在伺服器啟動時自動執行的，並沒有專門的命令。但是由於AOF的優先順序更高，因此當AOF開啟時，Redis會優先載入AOF檔案來恢復資料；只有當AOF關閉時，才會在Redis伺服器啟動時檢測RDB檔案，並自動載入。伺服器載入RDB檔案期間處於阻塞狀態，直到載入完成為止。

Redis啟動日誌中可以看到自動載入的執行：

Redis載入RDB檔案時，會對RDB檔案進行校驗，如果檔案損壞，則日誌中會列印錯誤，Redis啟動失敗。

5. RDB常用配置總結

下面是RDB常用的配置項，以及預設值；前面介紹過的這裡不再詳細介紹。

• save m n：bgsave自動觸發的條件；如果沒有save m n配置，相當於自動的RDB持久化關閉，不過此時仍可以通過其他方式觸發

• stop-writes-on-bgsave-error yes：當bgsave出現錯誤時，Redis是否停止執行寫命令；設定為yes，則當硬碟出現問題時，可以及時發現，避免資料的大量丟失；設定為no，則Redis無視bgsave的錯誤繼續執行寫命令，當對Redis伺服器的系統(尤其是硬碟)使用了監控時，該選項考慮設定為no

• rdbcompression yes：是否開啟RDB檔案壓縮

• rdbchecksum yes：是否開啟RDB檔案的校驗，在寫入檔案和讀取檔案時都起作用；關閉checksum在寫入檔案和啟動檔案時大約能帶來10%的效能提升，但是資料損壞時無法發現

• dbfilename dump.rdb：RDB檔名

• dir ./：RDB檔案和AOF檔案所在目錄

四、AOF持久化

RDB持久化是將程序資料寫入檔案，而AOF持久化(即Append Only File持久化)，則是將Redis執行的每次寫命令記錄到單獨的日誌檔案中（有點像MySQL的binlog）；當Redis重啟時再次執行AOF檔案中的命令來恢復資料。

與RDB相比，AOF的實時性更好，因此已成為主流的持久化方案。

1. 開啟AOF

Redis伺服器預設開啟RDB，關閉AOF；要開啟AOF，需要在配置檔案中配置：

appendonly yes

2. 執行流程

由於需要記錄Redis的每條寫命令，因此AOF不需要觸發，下面介紹AOF的執行流程。

AOF的執行流程包括：

• 命令追加(append)：將Redis的寫命令追加到緩衝區aof_buf；

• 檔案寫入(write)和檔案同步(sync)：根據不同的同步策略將aof_buf中的內容同步到硬碟；

• 檔案重寫(rewrite)：定期重寫AOF檔案，達到壓縮的目的。

1) 命令追加(append)

Redis先將寫命令追加到緩衝區，而不是直接寫入檔案，主要是為了避免每次有寫命令都直接寫入硬碟，導致硬碟IO成為Redis負載的瓶頸。

命令追加的格式是Redis命令請求的協議格式，它是一種純文字格式，具有相容性好、可讀性強、容易處理、操作簡單避免二次開銷等優點；具體格式略。在AOF檔案中，除了用於指定資料庫的select命令（如select 0 為選中0號資料庫）是由Redis新增的，其他都是客戶端傳送來的寫命令。

2) 檔案寫入(write)和檔案同步(sync)

Redis提供了多種AOF快取區的同步檔案策略，策略涉及到作業系統的write函式和fsync函式，說明如下：

為了提高檔案寫入效率，在現代作業系統中，當用戶呼叫write函式將資料寫入檔案時，作業系統通常會將資料暫存到一個記憶體緩衝區裡，當緩衝區被填滿或超過了指定時限後，才真正將緩衝區的資料寫入到硬盤裡。這樣的操作雖然提高了效率，但也帶來了安全問題：如果計算機停機，記憶體緩衝區中的資料會丟失；因此係統同時提供了fsync、fdatasync等同步函式，可以強制作業系統立刻將緩衝區中的資料寫入到硬盤裡，從而確保資料的安全性。

 

AOF快取區的同步檔案策略由引數appendfsync控制，各個值的含義如下：

• always：命令寫入aof_buf後立即呼叫系統fsync操作同步到AOF檔案，fsync完成後執行緒返回。這種情況下，每次有寫命令都要同步到AOF檔案，硬碟IO成為效能瓶頸，Redis只能支援大約幾百TPS寫入，嚴重降低了Redis的效能；即便是使用固態硬碟（SSD），每秒大約也只能處理幾萬個命令，而且會大大降低SSD的壽命。

• no：命令寫入aof_buf後呼叫系統write操作，不對AOF檔案做fsync同步；同步由作業系統負責，通常同步週期為30秒。這種情況下，檔案同步的時間不可控，且緩衝區中堆積的資料會很多，資料安全性無法保證。

• everysec：命令寫入aof_buf後呼叫系統write操作，write完成後執行緒返回；fsync同步檔案操作由專門的執行緒每秒呼叫一次。everysec是前述兩種策略的折中，是效能和資料安全性的平衡，因此是Redis的預設配置，也是我們推薦的配置。

3) 檔案重寫(rewrite)

隨著時間流逝，Redis伺服器執行的寫命令越來越多，AOF檔案也會越來越大；過大的AOF檔案不僅會影響伺服器的正常執行，也會導致資料恢復需要的時間過長。

檔案重寫是指定期重寫AOF檔案，減小AOF檔案的體積。需要注意的是，AOF重寫是把Redis程序內的資料轉化為寫命令，同步到新的AOF檔案；不會對舊的AOF檔案進行任何讀取、寫入操作!

關於檔案重寫需要注意的另一點是：對於AOF持久化來說，檔案重寫雖然是強烈推薦的，但並不是必須的；即使沒有檔案重寫，資料也可以被持久化並在Redis啟動的時候匯入；因此在一些實現中，會關閉自動的檔案重寫，然後通過定時任務在每天的某一時刻定時執行。

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檔案重寫之所以能夠壓縮AOF檔案，原因在於：

• 過期的資料不再寫入檔案

• 無效的命令不再寫入檔案：如有些資料被重複設值(set mykey v1, set mykey v2)、有些資料被刪除了(sadd myset v1, del myset)等等

• 多條命令可以合併為一個：如sadd myset v1, sadd myset v2, sadd myset v3可以合併為sadd myset v1 v2 v3。不過為了防止單條命令過大造成客戶端緩衝區溢位，對於list、set、hash、zset型別的key，並不一定只使用一條命令；而是以某個常量為界將命令拆分為多條。這個常量在redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD中定義，不可更改，3.0版本中值是64。

通過上述內容可以看出，由於重寫後AOF執行的命令減少了，檔案重寫既可以減少檔案佔用的空間，也可以加快恢復速度。

檔案重寫的觸發

檔案重寫的觸發，分為手動觸發和自動觸發：

手動觸發：直接呼叫bgrewriteaof命令，該命令的執行與bgsave有些類似：都是fork子程序進行具體的工作，且都只有在fork時阻塞。

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