深入理解Redis的持久化機制和原理
阿新 • • 發佈：2019-02-11
Redis是一種面向“key-value”型別資料的分散式NoSQL資料庫系統，具有高效能、持久儲存、適應高併發應用場景等優勢。它雖然起步較晚，但發展卻十分迅速。
近日，Redis的作者在部落格中寫到，他看到的所有針對Redis的討論中，對Redis持久化的誤解是最大的，於是他寫了一篇長文來對Redis的持久化進行了系統性的論述。文章主要包含三個方面：Redis持久化是如何工作的、這一效能是否可靠以及和其它型別的資料庫比較。以下為文章內容：
一、Redis持久化是如何工作的？
什麼是持久化？簡單來講就是將資料放到斷電後資料不會丟失的裝置中，也就是我們通常理解的硬碟上。首先我們來看一下資料庫在進行寫操作時到底做了哪些事，主要有下面五個過程：
寫操作大致有上面5個流程，下面我們結合上面的5個流程看一下各種級別的故障：
資料損壞
所謂資料損壞，就是資料無法恢復，上面我們講的都是如何保證資料是確實寫到磁碟上去，但是寫到磁碟上可能並不意味著資料不會損壞。比如我們可能一次寫請求會進行兩次不同的寫操作，當意外發生時，可能會導致一次寫操作安全完成，但是另一次還沒有進行。如果資料庫的資料檔案結構組織不合理，可能就會導致資料完全不能恢復的狀況出現。
這裡通常也有三種策略來組織資料，以防止資料檔案損壞到無法恢復的情況：
Redis支援將當前資料的快照存成一個數據檔案的持久化機制。而一個持續寫入的資料庫如何生成快照呢。Redis藉助了fork命令的copy on write機制。在生成快照時，將當前程序fork出一個子程序，然後在子程序中迴圈所有的資料，將資料寫成為RDB檔案。
我們可以通過Redis的save指令來配置RDB快照生成的時機，比如你可以配置當10分鐘以內有100次寫入就生成快照，也可以配置當1小時內有1000次寫入就生成快照，也可以多個規則一起實施。這些規則的定義就在Redis的配置檔案中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis執行時設定規則，不需要重啟Redis。
Redis的RDB檔案不會壞掉，因為其寫操作是在一個新程序中進行的，當生成一個新的RDB檔案時，Redis生成的子程序會先將資料寫到一個臨時檔案中，然後通過原子性rename系統呼叫將臨時檔案重新命名為RDB檔案，這樣在任何時候出現故障，Redis的RDB檔案都總是可用的。
同時，Redis的RDB檔案也是Redis主從同步內部實現中的一環。
但是，我們可以很明顯的看到，RDB有它的不足，就是一旦資料庫出現問題，那麼我們的RDB檔案中儲存的資料並不是全新的，從上次RDB檔案生成到 Redis停機這段時間的資料全部丟掉了。在某些業務下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業務使用RDB的方式進行持久化，因為開啟RDB的代價並不高。 但是對於另外一些對資料安全性要求極高的應用，無法容忍資料丟失的應用，RDB就無能為力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機制：AOF日誌。
2、Redis的第二個持久化策略：AOF日誌
AOF日誌的全稱是Append Only File，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的日誌檔案。與一般資料庫不同的是，AOF檔案是可識別的純文字，它的內容就是一個個的Redis標準命令。比如我們進行如下實驗，使用Redis2.6 版本，在啟動命令引數中設定開啟AOF功能：
程式碼
然後我們執行如下的命令：
程式碼
這時我們檢視AOF日誌檔案，就會得到如下內容：
程式碼
可以看到，寫操作都生成了一條相應的命令作為日誌。其中值得注意的是最後一個del命令，它並沒有被記錄在AOF日誌中，這是因為Redis判斷出 這個命令不會對當前資料集做出修改。所以不需要記錄這個無用的寫命令。另外AOF日誌也不是完全按客戶端的請求來生成日誌的，比如命令 INCRBYFLOAT 在記AOF日誌時就被記成一條SET記錄，因為浮點數操作可能在不同的系統上會不同，所以為了避免同一份日誌在不同的系統上生成不同的資料集，所以這裡只將操作後的結果通過SET來記錄。
AOF重寫
你可以會想，每一條寫命令都生成一條日誌，那麼AOF檔案是不是會很大？答案是肯定的，AOF檔案會越來越大，所以Redis又提供了一個功能，叫做AOF rewrite。其功能就是重新生成一份AOF檔案，新的AOF檔案中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老檔案那樣，可能記錄了對同一個值的多次操作。其生成過程和RDB類似，也是fork一個程序，直接遍歷資料，寫入新的AOF臨時檔案。在寫入新檔案的過程中，所有的寫操作日誌還是會寫到原來老的 AOF檔案中，同時還會記錄在記憶體緩衝區中。當重完操作完成後，會將所有緩衝區中的日誌一次性寫入到臨時檔案中。然後呼叫原子性的rename命令用新的 AOF檔案取代老的AOF檔案。
二、Redis持久化效能是否可靠？
從上面的流程我們能夠看到，RDB是順序IO操作，效能很高。而同時在通過RDB檔案進行資料庫恢復的時候，也是順序的讀取資料載入到記憶體中。所以也不會造成磁碟的隨機讀取錯誤。
而AOF是一個寫檔案操作，其目的是將操作日誌寫到磁碟上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那麼寫AOF的操作安全性又有多高呢？實際上這是可以設定的，在Redis中對AOF呼叫write寫入後，何時再呼叫fsync將其寫到磁碟上，通過appendfsync選項來控制，下面appendfsync的三個設定項，安全強度逐漸變強。
1、appendfsync no
當設定appendfsync為no的時候，Redis不會主動呼叫fsync去將AOF日誌內容同步到磁碟，所以這一切就完全依賴於作業系統的除錯了。對大多數Linux作業系統，是每30秒進行一次fsync，將緩衝區中的資料寫到磁碟上。
2、appendfsync everysec
當設定appendfsync為everysec的時候，Redis會預設每隔一秒進行一次fsync呼叫，將緩衝區中的資料寫到磁碟。但是當這一 次的fsync呼叫時長超過1秒時。Redis會採取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒後再進行fsync，這一次的fsync就不管會執行多長時間都會進行。這時候由於在fsync時檔案描述符會被阻塞，所以當前的寫操作就會阻塞。
所以，結論就是：在絕大多數情況下，Redis會每隔一秒進行一次fsync。在最壞的情況下，兩秒鐘會進行一次fsync操作。
這一操作在大多數資料庫系統中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的資料，一次性將日誌寫到磁碟。
3、appednfsync always
當設定appendfsync為always時，每一次寫操作都會呼叫一次fsync，這時資料是最安全的，當然，由於每次都會執行fsync，所以其效能也會受到影響。
對於pipelining有什麼不同？
對於pipelining的操作，其具體過程是客戶端一次性發送N個命令，然後等待這N個命令的返回結果被一起返回。通過採用pipilining 就意味著放棄了對每一個命令的返回值確認。由於在這種情況下，N個命令是在同一個執行過程中執行的。所以當設定appendfsync為everysec 時，可能會有一些偏差，因為這N個命令可能執行時間超過1秒甚至2秒。但是可以保證的是，最長時間不會超過這N個命令的執行時間和。
三、和其它資料庫的比較
上面作業系統層面的資料安全我們已經講了很多，其實，不同的資料庫在實現上都大同小異。總之，最後的結論就是，在Redis開啟AOF的情況下，其單機資料安全性並不比這些成熟的SQL資料庫弱。
在資料匯入方面的比較
這些持久化的資料有什麼用，當然是用於重啟後的資料恢復。Redis是一個記憶體資料庫，無論是RDB還是AOF，都只是其保證資料恢復的措施。所以 Redis在利用RDB和AOF進行恢復的時候，都會讀取RDB或AOF檔案，重新載入到記憶體中。相對於MySQL等資料庫的啟動時間來說，會長很多，因為MySQL本來是不需要將資料載入到記憶體中的。
但是相對來說，MySQL啟動後提供服務時，其被訪問的熱資料也會慢慢載入到記憶體中，通常我們稱之為預熱，而在預熱完成前，其效能都不會太高。而Redis的好處是一次性將資料載入到記憶體中，一次性預熱。這樣只要Redis啟動完成，那麼其提供服務的速度都是非常快的。
而在利用RDB和利用AOF啟動上，其啟動時間有一些差別。RDB的啟動時間會更短，原因有兩個，一是RDB檔案中每一條資料只有一條記錄，不會像 AOF日誌那樣可能有一條資料的多次操作記錄。所以每條資料只需要寫一次就行了。另一個原因是RDB檔案的儲存格式和Redis資料在記憶體中的編碼格式是一致的，不需要再進行資料編碼工作。在CPU消耗上要遠小於AOF日誌的載入
近日，Redis的作者在部落格中寫到，他看到的所有針對Redis的討論中，對Redis持久化的誤解是最大的，於是他寫了一篇長文來對Redis的持久化進行了系統性的論述。文章主要包含三個方面：Redis持久化是如何工作的、這一效能是否可靠以及和其它型別的資料庫比較。以下為文章內容：
一、Redis持久化是如何工作的？
什麼是持久化？簡單來講就是將資料放到斷電後資料不會丟失的裝置中，也就是我們通常理解的硬碟上。首先我們來看一下資料庫在進行寫操作時到底做了哪些事，主要有下面五個過程：
- 客戶端向服務端傳送寫操作（資料在客戶端的記憶體中）。
- 資料庫服務端接收到寫請求的資料（資料在服務端的記憶體中）。
- 服務端呼叫write這個系統呼叫，將資料往磁碟上寫（資料在系統記憶體的緩衝區中）。
- 作業系統將緩衝區中的資料轉移到磁碟控制器上（資料在磁碟快取中）。
- 磁碟控制器將資料寫到磁碟的物理介質中（資料真正落到磁碟上）。
寫操作大致有上面5個流程，下面我們結合上面的5個流程看一下各種級別的故障：
- 當資料庫系統故障時，這時候系統核心還是完好的。那麼此時只要我們執行完了第3步，那麼資料就是安全的，因為後續作業系統會來完成後面幾步，保證資料最終會落到磁碟上。
- 當系統斷電時，這時候上面5項中提到的所有快取都會失效，並且資料庫和作業系統都會停止工作。所以只有當資料在完成第5步後，才能保證在斷電後資料不丟失。
- 資料庫多長時間呼叫一次write，將資料寫到核心緩衝區？
- 核心多長時間會將系統緩衝區中的資料寫到磁碟控制器？
- 磁碟控制器又在什麼時候把快取中的資料寫到物理介質上？
資料損壞
所謂資料損壞，就是資料無法恢復，上面我們講的都是如何保證資料是確實寫到磁碟上去，但是寫到磁碟上可能並不意味著資料不會損壞。比如我們可能一次寫請求會進行兩次不同的寫操作，當意外發生時，可能會導致一次寫操作安全完成，但是另一次還沒有進行。如果資料庫的資料檔案結構組織不合理，可能就會導致資料完全不能恢復的狀況出現。
這裡通常也有三種策略來組織資料，以防止資料檔案損壞到無法恢復的情況：
- 第一種是最粗糙的處理，就是不通過資料的組織形式保證資料的可恢復性。而是通過配置資料同步備份的方式，在資料檔案損壞後通過資料備份來進行恢復。實際上MongoDB在不開啟操作日誌，通過配置Replica Sets時就是這種情況。
- 另一種是在上面基礎上新增一個操作日誌，每次操作時記一下操作的行為，這樣我們可以通過操作日誌來進行資料恢復。因為操作日誌是順序追加的方式寫的，所以不會出現操作日誌也無法恢復的情況。這也類似於MongoDB開啟了操作日誌的情況。
- 更保險的做法是資料庫不進行舊資料的修改，只是以追加方式去完成寫操作，這樣資料本身就是一份日誌，這樣就永遠不會出現資料無法恢復的情況了。實際上CouchDB就是此做法的優秀範例。
Redis支援將當前資料的快照存成一個數據檔案的持久化機制。而一個持續寫入的資料庫如何生成快照呢。Redis藉助了fork命令的copy on write機制。在生成快照時，將當前程序fork出一個子程序，然後在子程序中迴圈所有的資料，將資料寫成為RDB檔案。
我們可以通過Redis的save指令來配置RDB快照生成的時機，比如你可以配置當10分鐘以內有100次寫入就生成快照，也可以配置當1小時內有1000次寫入就生成快照，也可以多個規則一起實施。這些規則的定義就在Redis的配置檔案中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis執行時設定規則，不需要重啟Redis。
Redis的RDB檔案不會壞掉，因為其寫操作是在一個新程序中進行的，當生成一個新的RDB檔案時，Redis生成的子程序會先將資料寫到一個臨時檔案中，然後通過原子性rename系統呼叫將臨時檔案重新命名為RDB檔案，這樣在任何時候出現故障，Redis的RDB檔案都總是可用的。
同時，Redis的RDB檔案也是Redis主從同步內部實現中的一環。
但是，我們可以很明顯的看到，RDB有它的不足，就是一旦資料庫出現問題，那麼我們的RDB檔案中儲存的資料並不是全新的，從上次RDB檔案生成到 Redis停機這段時間的資料全部丟掉了。在某些業務下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業務使用RDB的方式進行持久化，因為開啟RDB的代價並不高。 但是對於另外一些對資料安全性要求極高的應用，無法容忍資料丟失的應用，RDB就無能為力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機制：AOF日誌。
2、Redis的第二個持久化策略：AOF日誌
AOF日誌的全稱是Append Only File，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的日誌檔案。與一般資料庫不同的是，AOF檔案是可識別的純文字，它的內容就是一個個的Redis標準命令。比如我們進行如下實驗，使用Redis2.6 版本，在啟動命令引數中設定開啟AOF功能：
程式碼
- ./redis-server --appendonly yes
然後我們執行如下的命令：
程式碼
- redis 127.0.0.1:6379> set key1 Hello
- OK
- redis 127.0.0.1:6379> append key1 " World!"
- (integer) 12
- redis 127.0.0.1:6379> del key1
- (integer) 1
- redis 127.0.0.1:6379> del non_existing_key
- (integer) 0
這時我們檢視AOF日誌檔案，就會得到如下內容：
程式碼
- $ cat appendonly.aof
- *2
- $6
- SELECT
- $1
- 0
- *3
- $3
- set
- $4
- key1
- $5
- Hello
- *3
- $6
- append
- $4
- key1
- $7
- World!
- *2
- $3
- del
- $4
- key1
可以看到，寫操作都生成了一條相應的命令作為日誌。其中值得注意的是最後一個del命令，它並沒有被記錄在AOF日誌中，這是因為Redis判斷出 這個命令不會對當前資料集做出修改。所以不需要記錄這個無用的寫命令。另外AOF日誌也不是完全按客戶端的請求來生成日誌的，比如命令 INCRBYFLOAT 在記AOF日誌時就被記成一條SET記錄，因為浮點數操作可能在不同的系統上會不同，所以為了避免同一份日誌在不同的系統上生成不同的資料集，所以這裡只將操作後的結果通過SET來記錄。
AOF重寫
你可以會想，每一條寫命令都生成一條日誌，那麼AOF檔案是不是會很大？答案是肯定的，AOF檔案會越來越大，所以Redis又提供了一個功能，叫做AOF rewrite。其功能就是重新生成一份AOF檔案，新的AOF檔案中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老檔案那樣，可能記錄了對同一個值的多次操作。其生成過程和RDB類似，也是fork一個程序，直接遍歷資料，寫入新的AOF臨時檔案。在寫入新檔案的過程中，所有的寫操作日誌還是會寫到原來老的 AOF檔案中，同時還會記錄在記憶體緩衝區中。當重完操作完成後，會將所有緩衝區中的日誌一次性寫入到臨時檔案中。然後呼叫原子性的rename命令用新的 AOF檔案取代老的AOF檔案。
二、Redis持久化效能是否可靠？
從上面的流程我們能夠看到，RDB是順序IO操作，效能很高。而同時在通過RDB檔案進行資料庫恢復的時候，也是順序的讀取資料載入到記憶體中。所以也不會造成磁碟的隨機讀取錯誤。
而AOF是一個寫檔案操作，其目的是將操作日誌寫到磁碟上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那麼寫AOF的操作安全性又有多高呢？實際上這是可以設定的，在Redis中對AOF呼叫write寫入後，何時再呼叫fsync將其寫到磁碟上，通過appendfsync選項來控制，下面appendfsync的三個設定項，安全強度逐漸變強。
1、appendfsync no
當設定appendfsync為no的時候，Redis不會主動呼叫fsync去將AOF日誌內容同步到磁碟，所以這一切就完全依賴於作業系統的除錯了。對大多數Linux作業系統，是每30秒進行一次fsync，將緩衝區中的資料寫到磁碟上。
2、appendfsync everysec
當設定appendfsync為everysec的時候，Redis會預設每隔一秒進行一次fsync呼叫，將緩衝區中的資料寫到磁碟。但是當這一 次的fsync呼叫時長超過1秒時。Redis會採取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒後再進行fsync，這一次的fsync就不管會執行多長時間都會進行。這時候由於在fsync時檔案描述符會被阻塞，所以當前的寫操作就會阻塞。
所以，結論就是：在絕大多數情況下，Redis會每隔一秒進行一次fsync。在最壞的情況下，兩秒鐘會進行一次fsync操作。
這一操作在大多數資料庫系統中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的資料，一次性將日誌寫到磁碟。
3、appednfsync always
當設定appendfsync為always時，每一次寫操作都會呼叫一次fsync，這時資料是最安全的，當然，由於每次都會執行fsync，所以其效能也會受到影響。
對於pipelining有什麼不同？
對於pipelining的操作，其具體過程是客戶端一次性發送N個命令，然後等待這N個命令的返回結果被一起返回。通過採用pipilining 就意味著放棄了對每一個命令的返回值確認。由於在這種情況下，N個命令是在同一個執行過程中執行的。所以當設定appendfsync為everysec 時，可能會有一些偏差，因為這N個命令可能執行時間超過1秒甚至2秒。但是可以保證的是，最長時間不會超過這N個命令的執行時間和。
三、和其它資料庫的比較
上面作業系統層面的資料安全我們已經講了很多，其實，不同的資料庫在實現上都大同小異。總之，最後的結論就是，在Redis開啟AOF的情況下，其單機資料安全性並不比這些成熟的SQL資料庫弱。
在資料匯入方面的比較
這些持久化的資料有什麼用，當然是用於重啟後的資料恢復。Redis是一個記憶體資料庫，無論是RDB還是AOF，都只是其保證資料恢復的措施。所以 Redis在利用RDB和AOF進行恢復的時候，都會讀取RDB或AOF檔案，重新載入到記憶體中。相對於MySQL等資料庫的啟動時間來說，會長很多，因為MySQL本來是不需要將資料載入到記憶體中的。
但是相對來說，MySQL啟動後提供服務時，其被訪問的熱資料也會慢慢載入到記憶體中，通常我們稱之為預熱，而在預熱完成前，其效能都不會太高。而Redis的好處是一次性將資料載入到記憶體中，一次性預熱。這樣只要Redis啟動完成，那麼其提供服務的速度都是非常快的。
而在利用RDB和利用AOF啟動上，其啟動時間有一些差別。RDB的啟動時間會更短，原因有兩個，一是RDB檔案中每一條資料只有一條記錄，不會像 AOF日誌那樣可能有一條資料的多次操作記錄。所以每條資料只需要寫一次就行了。另一個原因是RDB檔案的儲存格式和Redis資料在記憶體中的編碼格式是一致的，不需要再進行資料編碼工作。在CPU消耗上要遠小於AOF日誌的載入