解密Redis持久化
本文內容來源於Redis作者博文，Redis作者說，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。文章非常長，也很值得一看，NoSQLFan將主要內容簡述成本文。
什麽是持久化，簡單來講就是將數據放到斷電後數據不會丟失的設備中。也就是我們通常理解的硬盤上。
寫操作的流程
首先我們來看一下數據庫在進行寫操作時到底做了哪些事，主要有下面五個過程。
- 客戶端向服務端發送寫操作（數據在客戶端的內存中）
- 數據庫服務端接收到寫請求的數據（數據在服務端的內存中）
- 服務端調用write(2) 這個系統調用，將數據往磁盤上寫（數據在系統內存的緩沖區中）
- 操作系統將緩沖區中的數據轉移到磁盤控制器上（數據在磁盤緩存中）
- 磁盤控制器將數據寫到磁盤的物理介質中（數據真正落到磁盤上）
故障分析
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。
- 當數據庫系統故障時，這時候系統內核還是OK的，那麽此時只要我們執行完了第3步，那麽數據就是安全的，因為後續操作系統會來完成後面幾步，保證數據最終會落到磁盤上。
- 當系統斷電，這時候上面5項中提到的所有緩存都會失效，並且數據庫和操作系統都會停止工作。所以只有當數據在完成第5步後，機器斷電才能保證數據不丟失，在上述四步中的數據都會丟失。
通過上面5步的了解，可能我們會希望搞清下面一些問題：
- 數據庫多長時間調用一次write(2)，將數據寫到內核緩沖區
- 內核多長時間會將系統緩沖區中的數據寫到磁盤控制器
- 磁盤控制器又在什麽時候把緩存中的數據寫到物理介質上
對於第一個問題，通常數據庫層面會進行全面控制。而對第二個問題，操作系統有其默認的策略，但是我們也可以通過POSIX API提供的fsync系列命令強制操作系統將數據從內核區寫到磁盤控制器上。對於第三個問題，好像數據庫已經無法觸及，但實際上，大多數情況下磁盤緩存是被設置關閉的。或者是只開啟為讀緩存，也就是寫操作不會進行緩存，直接寫到磁盤。建議的做法是僅僅當你的磁盤設備有備用電池時才開啟寫緩存。
數據損壞
所謂數據損壞，就是數據無法恢復，上面我們講的都是如何保證數據是確實寫到磁盤上去，但是寫到磁盤上可能並不意味著數據不會損壞。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。如果數據庫的數據文件結構組織不合理，可能就會導致數據完全不能恢復的狀況出現。
這裏通常也有三種策略來組織數據，以防止數據文件損壞到無法恢復的情況：
- 第一種是最粗糙的處理，就是不通過數據的組織形式保證數據的可恢復性。而是通過配置數據同步備份的方式，在數據文件損壞後通過數據備份來進行恢復。實際上MongoDB在不開啟journaling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添加一個操作日誌，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數據恢復。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journaling日誌的情況。
- 更保險的做法是數據庫不進行老數據的修改，只是以追加方式去完成寫操作，這樣數據本身就是一份日誌，這樣就永遠不會出現數據無法恢復的情況了。實際上CouchDB就是此做法的優秀範例。
RDB快照
下面我們說一下Redis的第一個持久化策略，RDB快照。Redis支持將當前數據的快照存成一個數據文件的持久化機制。而一個持續寫入的數據庫如何生成快照呢。Redis借助了fork命令的copy on write機制。在生成快照時，將當前進程fork出一個子進程，然後在子進程中循環所有的數據，將數據寫成為RDB文件。
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的配置文件中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis運行時設置規則，不需要重啟Redis。
Redis的RDB文件不會壞掉，因為其寫操作是在一個新進程中進行的，當生成一個新的RDB文件時，Redis生成的子進程會先將數據寫到一個臨時文件中，然後通過原子性rename系統調用將臨時文件重命名為RDB文件，這樣在任何時候出現故障，Redis的RDB文件都總是可用的。
同時，Redis的RDB文件也是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有他的不足，就是一旦數據庫出現問題，那麽我們的RDB文件中保存的數據並不是全新的，從上次RDB文件生成到Redis停機這段時間的數據全部丟掉了。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數據安全性要求極高的應用，無法容忍數據丟失的應用，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。
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文件。與一般數據庫的binlog不同的是，AOF文件是可識別的純文本，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，在啟動命令參數中設置開啟aof功能：
./redis-server --appendonly yes
然後我們執行如下的命令：
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
這時我們查看AOF日誌文件，就會得到如下內容：
$ 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。其中值得註意的是最後一個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數據集做出修改。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數據集，所以這裏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，那麽AOF文件是不是會很大？答案是肯定的，AOF文件會越來越大，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文件，新的AOF文件中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老文件那樣，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一個進程，直接遍歷數據，寫入新的AOF臨時文件。在寫入新文件的過程中，所有的寫操作日誌還是會寫到原來老的AOF文件中，同時還會記錄在內存緩沖區中。當重完操作完成後，會將所有緩沖區中的日誌一次性寫入到臨時文件中。然後調用原子性的rename命令用新的AOF文件取代老的AOF文件。
從上面的流程我們能夠看到，RDB和AOF操作都是順序IO操作，性能都很高。而同時在通過RDB文件或者AOF日誌進行數據庫恢復的時候，也是順序的讀取數據加載到內存中。所以也不會造成磁盤的隨機讀。
AOF可靠性設置
AOF是一個寫文件操作，其目的是將操作日誌寫到磁盤上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那麽寫AOF的操作安全性又有多高呢。實際上這是可以設置的，在Redis中對AOF調用write(2)寫入後，何時再調用fsync將其寫到磁盤上，通過appendfsync選項來控制，下面appendfsync的三個設置項，安全強度逐漸變強。
appendfsync no
當設置appendfsync為no的時候，Redis不會主動調用fsync去將AOF日誌內容同步到磁盤，所以這一切就完全依賴於操作系統的調試了。對大多數Linux操作系統，是每30秒進行一次fsync，將緩沖區中的數據寫到磁盤上。
appendfsync everysec
當設置appendfsync為everysec的時候，Redis會默認每隔一秒進行一次fsync調用，將緩沖區中的數據寫到磁盤。但是當這一次的fsync調用時長超過1秒時。Redis會采取延遲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時文件描述符會被阻塞，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。
這一操作在大多數數據庫系統中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的數據，一次性將日誌寫到磁盤。
appednfsync always
當設置appendfsync為always時，每一次寫操作都會調用一次fsync，這時數據是最安全的，當然，由於每次都會執行fsync，所以其性能也會受到影響。
對於pipelining有什麽不同
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。通過采用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。所以當設置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。
與postgreSQL和MySQL的比較
這一塊就不多說了，由於上面操作系統層面的數據安全已經講了很多，所以其實不同的數據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，其單機數據安全性並不比這些成熟的SQL數據庫弱。
數據導入
這些持久化的數據有什麽用，當然是用於重啟後的數據恢復。Redis是一個內存數據庫，無論是RDB還是AOF，都只是其保證數據恢復的措施。所以Redis在利用RDB和AOF進行恢復的時候，都會讀取RDB或AOF文件，重新加載到內存中。相對於MySQL等數據庫的啟動時間來說，會長很多，因為MySQL本來是不需要將數據加載到內存中的。
但是相對來說，MySQL啟動後提供服務時，其被訪問的熱數據也會慢慢加載到內存中，通常我們稱之為預熱，而在預熱完成前，其性能都不會太高。而Redis的好處是一次性將數據加載到內存中，一次性預熱。這樣只要Redis啟動完成，那麽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文件中每一條數據只有一條記錄，不會像AOF日誌那樣可能有一條數據的多次操作記錄。所以每條數據只需要寫一次就行了。另一個原因是RDB文件的存儲格式和Redis數據在內存中的編碼格式是一致的，不需要再進行數據編碼工作。在CPU消耗上要遠小於AOF日誌的加載。
好了，大概內容就說到這裏。更詳細完整的版本請看Redis作者的博文：Redis persistence demystified。本文如有描述不周之處，就大家指正。
解密Redis持久化