1. 前言

為什么要進行持久化？：持久化功能有效地避免因進程退出造成的數據丟失問題，當下次重啟時利用之前持久化的文件即可實現數據恢復。

持久化都有那些方式？：Redis支持RDB和AOF兩種持久化機制。

2. RDB

RDB持久化是把當前進程數據生成快照保存到硬盤的過程，觸發RDB持久化過程分為手動觸發和自動觸發。

2.1 手動觸發

手動觸發分別對應save和bgsave命令：

• save?命令：：阻塞當前Redis服務器，直到RDB過程完成為止，對于內存比較大的實例會造成長時間阻塞，線上環境不建議使用。
• bgsave?命令：Redis進程執行fork操作創建子進程，RDB持久化過程由子進程負責，完成后自動結束。阻塞只發生在fork階段，一般時間很短。

顯然bgsave命令是針對save阻塞問題做的優化。因此Redis內部所有的涉及RDB的操作都采用bgsave的方式，而save命令已經廢棄。

2.2 自動觸發

• 使用save相關配置，如save m n。表示m秒內數據集存在n次修改時，自動觸發bgsave。
• 如果從節點執行全量復制操作，主節點自動執行bgsave生成RDB文件并發送給從節點。
• 執行debug reload命令重新加載Redis時，也會自動觸發save操作。
• 默認情況下執行shutdown命令時，如果沒有開啟AOF持久化功能則自動執行bgsave。

3. bgsave大致流程

流程說明：

• 執行bgsave命令，Redis父進程判斷當前是否存在正在執行的子進程，如RDB/AOF子進程，如果存在bgsave命令直接返回。
• 父進程執行fork操作創建子進程，fork操作過程中父進程會阻塞，通過info stats命令查看latest_fork_usec選項，可以獲取最近一個fork操作的耗時，單位為微秒。
• 父進程fork完成后，bgsave命令返回“Background saving started”信息并不再阻塞父進程，可以繼續響應其他命令。
• 子進程創建RDB文件，根據父進程內存生成臨時快照文件，完成后對原有文件進行原子替換。執行lastsave命令可以獲取最后一次生成RDB的時間，對應info統計的rdb_last_save_time選項。
• 進程發送信號給父進程表示完成，父進程更新統計信息，具體見info Persistence下的rdb_*相關選項。

關于RDB文件：

• 存儲位置：RDB文件保存在dir配置指定的目錄下，文件名通過dbfilename配置指定。可以通過執行config set dir{newDir}和config set dbfilename{newFileName}運行期動態執行，當下次運行時RDB文件會保存到新目錄。
• 壓縮：Redis默認采用LZF算法對生成的RDB文件做壓縮處理，壓縮后的文件遠遠小于內存大小，默認開啟，可以通過參數config set rdbcompression{yes|no}動態修改。
• 校驗：如果Redis加載損壞的RDB文件時拒絕啟動，并打印?# Short read or OOM loading DB. Unrecoverable error, aborting now.?（可以使用Redis提供的redis-check-dump工具檢測RDB文件并獲取對應的錯誤報告）。

4. RDB持久化方式的優缺點

優點：

• RDB是一個緊湊壓縮的二進制文件，代表Redis在某個時間點上的數據快照。非常適用于備份，全量復制等場景。比如每6小時執行bgsave備份，并把RDB文件拷貝到遠程機器或者文件系統中（如hdfs），用于災難恢復。（數據緊湊，便于存儲）
• Redis加載RDB恢復數據遠遠快于AOF的方式。（恢復速度快）

缺點：

• RDB方式數據沒辦法做到實時持久化/秒級持久化。因為bgsave每次運行都要執行fork操作創建子進程，屬于重量級操作，頻繁執行成本過高。（成本高）
• RDB文件使用特定二進制格式保存，Redis版本演進過程中有多個格式的RDB版本，存在老版本Redis服務無法兼容新版RDB格式的問題。（不兼容）

5. AOF

AOF（append only file）持久化：以獨立日志的方式記錄每次寫命令，重啟時再重新執行AOF文件中的命令達到恢復數據的目的。主要作用是解決了數據持久化的實時性。

6. AOF的使用方式

• 開啟AOF功能需要設置配置：appendonly yes，默認不開啟。
• AOF文件名通過appendfilename配置設置，默認文件名是appendonly.aof。(路徑同RDB)
• 主要流程有命令寫入（append）、文件同步（sync）、文件重寫（rewrite）、重啟加載（load）。

7. AOF流程剖析

流程描述：

• 所有的寫入命令會追加到aof_buf（緩沖區）中。
• AOF緩沖區根據對應的策略向硬盤做同步操作。
• 隨著AOF文件越來越大，需要定期對AOF文件進行重寫，達到壓縮的目的。
• 當Redis服務器重啟時，可以加載AOF文件進行數據恢復。

7.1 命令寫入

AOF命令寫入的內容直接是文本協議格式。例如set hello world這條命令，在AOF緩沖區會追加如下文本：

*3\r\n$3\r\nset\r\n$5\r\nhello\r\n$5\r\nworld\r\n

為什么使用文本協議格式？

• 文本協議具有很好的兼容性。（兼容性好）
• 開啟AOF后，所有寫入命令都包含追加操作，直接采用協議格式，避免了二次處理開銷。（處理簡單）
• 文本協議具有可讀性，方便直接修改和處理。（方便修改）

為什么要追加到aof_buf中而不是直接寫入硬盤？

• 如果每次寫AOF文件命令都直接追加到硬盤，那么Redis的性能就會受到硬盤讀寫速度的影響，而硬盤的讀寫速度相對于內存則是數量級上的差距，所以如果每次直接寫入硬盤則勢必會大幅度影響Redis的運行速度。（影響運行速度）
• 使用緩沖區暫存，Redis還可以提供多種緩沖區同步硬盤的策略，在性能和安全性方面做出平衡。（可以針對具體場景干預刷盤策略，以達到更好的效果）

7.2 文件同步

Redis提供了多種AOF緩沖區同步文件策略，由參數appendfsync控制。

系統調用write和fsync的幾點說明：

• write?：會觸發延遲寫（delayed write）機制。Linux在內核提供頁緩沖區用來提高硬盤IO性能。write操作在寫入系統緩沖區后直接返回。同步硬盤操作依賴于系統調度機制，例如：緩沖區頁空間寫滿或達到特定時間周期。同步文件之前，如果此時系統故障宕機，緩沖區內數據將丟失。（寫緩沖，定期由操作系統刷盤）
• fsync?：針對單個文件操作（比如AOF文件），做強制硬盤同步，fsync將阻塞直到寫入硬盤完成后返回，保證了數據持久化。（立即將緩沖數據刷盤）

策略的幾點說明：

• always：每次寫入都要同步AOF文件，在一般的SATA硬盤上，Redis只能支持大約幾百TPS寫入，顯然跟Redis高性能特性背道而馳，不建議配置。
• no：由于操作系統每次同步AOF文件的周期不可控，而且會加大每次同步硬盤的數據量，雖然提升了性能，但數據安全性無法保證。
• everysec：是建議的同步策略，也是默認配置，做到兼顧性能和數據安全性。（在系統突然宕機的情況下丟失1~2秒的數據）

7.3 重寫機制

為什么要重寫？：

• 隨著命令不斷寫入AOF，文件會越來越大。
• 會包含越來越多無用的命令記錄。（比如最近一次對一個值的更新操作，那么在此之前記錄的更新操作都會作廢）
• 更小的AOF文件可以更快地被Redis加載。

怎么重寫？：

• AOF文件重寫就是把Redis進程內的數據轉化為寫命令同步到新AOF文件。

重寫后那些優化讓文件變小了？：

• 進程內已經超時的數據不再寫入文件。（去除失效數據）
• 舊的AOF文件含有無效命令，如del key1、hdel key2、srem keys、set a111、set a222等。重寫使用進程內數據直接生成，這樣新的AOF文件只保留最終數據的寫入命令。（去除無用命令）
• 多條寫命令可以合并為一個，如：lpush list a、lpush list b、lpush list c可以轉化為：lpush list a b c；為了防止單條命令過大造成客戶 端緩沖區溢出，對于list、set、hash、zset等類型操作，以64個元素為界拆分為多條。（使用批量命令）

重寫有那些觸發方式？：

• 手動觸發 ：直接調用bgrewriteaof命令。
• 自動觸發 ：根據auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewritepercentage參數確定自動觸發時機。
  • auto-aof-rewrite-min-size：表示運行AOF重寫時文件最小體積，默認為64MB。（根據當前文件大小）
  • auto-aof-rewrite-percentage：代表當前AOF文件空間（aof_current_size）和上一次重寫后AOF文件空間（aof_base_size）的比值。（根據文件大小的增量）

自動觸發時機：

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統計信息中查看。

重寫流程概述：

流程描述：

• 執行AOF重寫請求。

  • 如果當前進程正在執行AOF重寫，請求不執行并返回?ERR Background append only file rewriting already in progress?。
  • 如果當前進程正在執行bgsave操作，重寫命令延遲到bgsave完成之后再執行，返回?Background append only file rewriting scheduled
• 父進程執行fork創建子進程，開銷等同于bgsave過程。
• (1)主進程fork操作完成后，繼續響應其他命令。所有修改命令依然寫入AOF緩沖區并根據appendfsync策略同步到硬盤，保證原有AOF機制正確性。(2)由于fork操作運用寫時復制技術(Copy On Write)，子進程只能共享fork操作時的內存數據。由于父進程依然響應命令，Redis使用“AOF重寫緩沖區”保存這部分新數據，防止新AOF文件生成期間丟失這部分數據。
• 子進程根據內存快照，按照命令合并規則寫入到新的AOF文件。每次批量寫入硬盤數據量由配置aof-rewrite-incremental-fsync控制，默認為32MB，防止單次刷盤數據過多造成硬盤阻塞。
• (1)新AOF文件寫入完成后，子進程發送信號給父進程，父進程更新統計信息，具體見info persistence的aof_*相關統計。(2)父進程把AOF重寫緩沖區的數據寫入到新的AOF文件(3)并使用新AOF文件替換老文件，完成AOF重寫。

7.4 重啟加載

流程描述：

• AOF持久化開啟且存在AOF文件時，優先加載AOF文件，并輸出?DB loaded from append only file: xxx seconds?。
• AOF關閉或者AOF文件不存在時，加載RDB文件，并輸出?DB loaded from disk: xxx seconds?。
• 加載AOF或RDB文件成功后，Redis啟動成功。
• AOF或RDB文件存在錯誤時，Redis啟動失敗并打印錯誤信息。

關于文件校驗：

加載損壞的AOF文件時會拒絕啟動，并會輸出：

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

對于錯誤格式的AOF文件：先進行備份，然后采用redis-check-aof --fix命令進行修復，修復后使用diff-u對比數據的差異，找出丟失的數據，有些可以人工修改補全。

對于AOF文件結尾不完整：比如機器突然掉電導致AOF尾部文件命令寫入不全。Redis為我們提供了aof-load-truncated配置來兼容這種情況，默認開啟。加載AOF時，當遇到此問題時會忽略并繼續啟動，同時打印如下警告日志：

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

8. 問題定位與優化

8.1 關于fork操作

當Redis做RDB或AOF重寫時，一個必不可少的操作就是執行fork操作創建子進程，對于大多數操作系統來說fork是個重量級操作雖然fork創建的子進程不需要拷貝父進程的物理內存空間，但是會復制父進程的空間內存頁表，因此fork操作耗時跟進程總內存量息息相關。可以在info stats統計中查latest_fork_usec指標獲取最近一次fork操作耗時，單位微秒。

減少fork耗時的措施：

• 優先使用物理機或者高效支持fork操作的虛擬化技術，避免使用Xen。
• 控制Redis實例最大可用內存，fork耗時跟內存量成正比，線上建議每個Redis實例內存控制在10GB以內。
• 合理配置Linux內存分配策略，避免物理內存不足導致fork失敗。
• 降低fork操作的頻率，如適度放寬AOF自動觸發時機，避免不必要的全量復制等。

8.2 關于子進程開銷

CPU：

• 分析：子進程負責把進程內的數據分批寫入文件，這個過程屬于CPU密集操作，通常子進程對單核CPU利用率接近90%。
• 優化：
  • Redis是CPU密集型服務，不要做綁定單核CPU操作。由于子進程非常消耗CPU，會和父進程產生單核資源競爭。
  • 不要和其他CPU密集型服務部署在一起，造成CPU過度競爭。
  • 如果部署多個Redis實例，盡量保證同一時刻只有一個子進程執行重寫工作。

內存：

• 分析：得益于Linux的寫時復制機制（copy on write），父子進程會共享相同的物理內存頁，當父進程處理寫請求時會把要修改的頁創建副本，而子進程在fork操作過程中共享整個父進程內存快照。（重寫時共享同一份物理內存區域，內存主要開銷在于?拷貝的頁表?和?應用 copy on write 時某些頁的拷貝?以及在進行AOF重寫所使用的?aof_rewrite_buf占用的大小?）
• 優化：
  • 如果部署多個Redis實例，盡量保證同一時刻只有一個子進程在工作。
  • 避免在大量寫入時做子進程重寫操作，這樣將導致父進程維護大量頁副本，造成內存消耗。
  • Linux kernel在2.6.38內核增加了Transparent Huge Pages（THP），支持huge page（2MB）的頁分配，默認開啟。當開啟時可以降低fork創 建子進程的速度，但執行fork之后，如果開啟THP，復制頁單位從原來4KB變為2MB，會大幅增加重寫期間父進程內存消耗。

硬盤：

• 分析：子進程主要職責是把AOF或者RDB文件寫入硬盤持久化，所以在執行重寫的時候勢必會增加硬盤的寫入壓力。根據Redis重寫AOF或RDB的數據量，結合系統工具如sar、iostat、iotop等，可分析出重寫期間硬盤負載情況。
• 優化：
  • 不要和其他高硬盤負載的服務部署在一起。如：存儲服務、消息隊列服務等。
  • AOF重寫時會消耗大量硬盤IO，可以開啟配置no-appendfsyncon-rewrite，默認關閉。表示在AOF重寫期間不做fsync操作，注意！配置no-appendfsync-on-rewrite=yes時，在極端情況下可能丟失整個AOF重寫期間的數據，需要根據數據安全性決定是否配置。
  • 當開啟AOF功能的Redis用于高流量寫入場景時，Redis的性能會受到硬盤寫入性能的影響。
  • 對于單機配置多個Redis實例的情況，可以配置不同實例分盤存儲AOF文件，分攤硬盤寫入壓力。

8.3 關于AOF追加阻塞

描述：當開啟AOF持久化時，常用的同步硬盤的策略是everysec，用于平衡性能和數據安全性。對于這種方式，Redis使用另一條線程每秒執行fsync同步硬盤。當系統硬盤資源繁忙時，會造成Redis主線程阻塞。

問題定位：

• 發生AOF阻塞時，Redis輸出日志，用于記錄AOF fsync阻塞導致拖慢Redis服務的行為：?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
• 每當發生AOF追加阻塞事件發生時，在info Persistence統計中，aof_delayed_fsync指標會累加，查看這個指標方便定位AOF阻塞問題。
• AOF同步最多允許2秒的延遲，當延遲發生時說明硬盤存在高負載問題。

流程概述：

• 主線程負責寫入AOF緩沖區。
• AOF線程負責每秒執行一次同步磁盤操作，并記錄最近一次同步時間。
• 主線程負責對比上次AOF同步時間：
  • 如果距上次同步成功時間在2秒內，主線程直接返回。
  • 如果距上次同步成功時間超過2秒，主線程將會阻塞，直到同步操作完成。

也就是說：

• everysec配置最多可能丟失2秒數據，不是1秒。
• 如果系統fsync緩慢，將會導致Redis主線程阻塞影響效率。