Redis 数据持久化详解与实践 动图详解

Redis 是一个开源( BSD 许可)的,内存中的数据结构存储系统,它可以用作数据库、缓存和消息中间件。它支持的数据类型很丰富,如字符串、链表、集 合、以及散列等,并且还支持多种排序功能。

什么叫持久化?

用一句话可以将持久化概括为:将数据(如内存中的对象)保存到可永久保存的存储设备中。持久化的主要应用是将内存中的对象存储在数据库中,或者存储在磁盘文件中、 XML 数据文件中等等。

从应用层与系统层理解持久化

同时,也可以从应用层和系统层这两个层面来理解持久化:

应用层:如果关闭( Close )你的应用然后重新启动则先前的数据依然存在。

系统层:如果关闭( Shutdown )你的系统(电脑)然后重新启动则先前的数据依然存在。

Redis 为什么要持久化?

Redis 中的数据类型都支持 push/pop、add/remove 及取交集并集和差集及更丰富的操作,而且这些操作都是原子性的。在此基础上,Redis 支持各种不同方式的排序。与 Memcached 一样,为了保证效率,数据都是缓存在内存中。

对,数据都是缓存在内存中的,当你重启系统或者关闭系统后,缓存在内存中的数据都会消失殆尽,再也找不回来了。所以,为了让数据能够长期保存,就要将 Redis 放在缓存中的数据做持久化存储。

Redis 怎么实现持久化?

在设计之初,Redis 就已经考虑到了这个问题。官方提供了多种不同级别的数据持久化的方式:

1、RDB持久化方式能够在指定的时间间隔能对你的数据进行快照存储。

2、AOF持久化方式记录每次对服务器写的操作,当服务器重启的时候会重新执行这些命令来恢复原始的数据,AOF命令以redis协议追加保存每次写的操作到文件末尾.Redis还能对AOF文件进行后台重写,使得AOF文件的体积不至于过大。

3、如果你只希望你的数据在服务器运行的时候存在,你也可以不使用任何持久化方式。

4、你也可以同时开启两种持久化方式, 在这种情况下, 当redis重启的时候会优先载入AOF文件来恢复原始的数据,因为在通常情况下AOF文件保存的数据集要比RDB文件保存的数据集要完整。

如果你不知道该选择哪一个级别的持久化方式,那我们就先来了解一下 AOF 方式和 RDB 方式有什么样的区别,并且它们各自有何优劣,学习完之后,再来考虑该选择哪一种级别。

RDB 方式与 AOF 方式的优势对比

首先我们来看一看官方对于两种方式的优点描述,并做个对比,然后再看一看两种方式的缺点描述。

RDB 方式的优点

  • RDB 是一个非常紧凑的文件,它保存了某个时间点的数据集,非常适用于数据集的备份,比如你可以在每个小时报保存一下过去24小时内的数据,同时每天保存过去30天的数据,这样即使出了问题你也可以根据需求恢复到不同版本的数据集。
  • RDB 是一个紧凑的单一文件,很方便传送到另一个远端数据中心,非常适用于灾难恢复。
  • RDB 在保存 RDB 文件时父进程唯一需要做的就是 fork 出一个子进程,接下来的工作全部由子进程来做,父进程不需要再做其他 IO 操作,所以 RDB 持久化方式可以最大化 Redis 的性能。
  • 与AOF相比,在恢复大的数据集的时候,RDB 方式会更快一些。

当 Redis 需要保存 dump.rdb 文件时, 服务器执行以下操作:

  • Redis 调用forks. 同时拥有父进程和子进程。
  • 子进程将数据集写入到一个临时 RDB 文件中。
  • 当子进程完成对新 RDB 文件的写入时,Redis 用新 RDB 文件替换原来的 RDB 文件,并删除旧的 RDB 文件。

这种工作方式使得 Redis 可以从写时复制(copy-on-write)机制中获益。

AOF 方式的优点


使用AOF 会让你的Redis更加耐久:

  • 你可以使用不同的 fsync 策略:无 fsync、每秒 fsync 、每次写的时候 fsync .使用默认的每秒 fsync 策略, Redis 的性能依然很好( fsync 是由后台线程进行处理的,主线程会尽力处理客户端请求),一旦出现故障,你最多丢失1秒的数据。
  • AOF文件是一个只进行追加的日志文件,所以不需要写入seek,即使由于某些原因(磁盘空间已满,写的过程中宕机等等)未执行完整的写入命令,你也也可使用redis-check-aof工具修复这些问题。
  • Redis 可以在 AOF 文件体积变得过大时,自动地在后台对 AOF 进行重写: 重写后的新 AOF 文件包含了恢复当前数据集所需的最小命令集合。 整个重写操作是绝对安全的,因为 Redis 在创建新 AOF 文件的过程中,会继续将命令追加到现有的 AOF 文件里面,即使重写过程中发生停机,现有的 AOF 文件也不会丢失。 而一旦新 AOF 文件创建完毕,Redis 就会从旧 AOF 文件切换到新 AOF 文件,并开始对新 AOF 文件进行追加操作。
  • AOF 文件有序地保存了对数据库执行的所有写入操作, 这些写入操作以 Redis 协议的格式保存, 因此 AOF 文件的内容非常容易被人读懂, 对文件进行分析(parse)也很轻松。 导出(export) AOF 文件也非常简单: 举个例子, 如果你不小心执行了 FLUSHALL 命令, 但只要 AOF 文件未被重写, 那么只要停止服务器, 移除 AOF 文件末尾的 FLUSHALL 命令, 并重启 Redis , 就可以将数据集恢复到 FLUSHALL 执行之前的状态。

优点对比总结

RDB 方式可以保存过去一段时间内的数据,并且保存结果是一个单一的文件,可以将文件备份到其他服务器,并且在回复大量数据的时候,RDB 方式的速度会比 AOF 方式的回复速度要快。

AOF 方式默认每秒钟备份1次,频率很高,它的操作方式是以追加的方式记录日志而不是数据,并且它的重写过程是按顺序进行追加,所以它的文件内容非常容易读懂。可以在某些需要的时候打开 AOF 文件对其编辑,增加或删除某些记录,最后再执行恢复操作。

RDB 方式与 AOF 方式的缺点对比

RDB 方式的缺点

  • 如果你希望在 Redis 意外停止工作(例如电源中断)的情况下丢失的数据最少的话,那么 RDB 不适合你.虽然你可以配置不同的save时间点(例如每隔 5 分钟并且对数据集有 100 个写的操作),是 Redis 要完整的保存整个数据集是一个比较繁重的工作,你通常会每隔5分钟或者更久做一次完整的保存,万一在 Redis 意外宕机,你可能会丢失几分钟的数据。
  • RDB 需要经常 fork 子进程来保存数据集到硬盘上,当数据集比较大的时候, fork 的过程是非常耗时的,可能会导致 Redis 在一些毫秒级内不能响应客户端的请求。如果数据集巨大并且 CPU 性能不是很好的情况下,这种情况会持续1秒, AOF 也需要 fork ,但是你可以调节重写日志文件的频率来提高数据集的耐久度。

AOF 方式的缺点

  • 对于相同的数据集来说,AOF 文件的体积通常要大于 RDB 文件的体积。
  • 根据所使用的 fsync 策略,AOF 的速度可能会慢于 RDB 。 在一般情况下, 每秒 fsync 的性能依然非常高, 而关闭 fsync 可以让 AOF 的速度和 RDB 一样快, 即使在高负荷之下也是如此。 不过在处理巨大的写入载入时,RDB 可以提供更有保证的最大延迟时间(latency)。

缺点对比总结

RDB 由于备份频率不高,所以在回复数据的时候有可能丢失一小段时间的数据,而且在数据集比较大的时候有可能对毫秒级的请求产生影响。

AOF 的文件提及比较大,而且由于保存频率很高,所以整体的速度会比 RDB 慢一些,但是性能依旧很高。

工作原理


AOF 重写和 RDB 创建快照一样,都巧妙地利用了写时复制机制:

  • Redis 执行 fork() ,现在同时拥有父进程和子进程。
  • 子进程开始将新 AOF 文件的内容写入到临时文件。
  • 对于所有新执行的写入命令,父进程一边将它们累积到一个内存缓存中,一边将这些改动追加到现有 AOF 文件的末尾,这样样即使在重写的中途发生停机,现有的 AOF 文件也还是安全的。
  • 当子进程完成重写工作时,它给父进程发送一个信号,父进程在接收到信号之后,将内存缓存中的所有数据追加到新 AOF 文件的末尾。
  • 现在 Redis 原子地用新文件替换旧文件,之后所有命令都会直接追加到新 AOF 文件的末尾。

付诸实践,RDB 与 AOF 的实现

RDB 方式持久化的开启与配置

Redis 默认的持久化方式是 RDB ,并且默认是打开的。RDB 的保存有方式分为主动保存与被动保存。主动保存可以在 redis-cli 中输入 save 即可;被动保存需要满足配置文件中设定的触发条件,目前官方默认的触发条件可以在 redis.conf 中看到:

save 900 1
save 300 10
save 60 10000

其含义为:

服务器在900秒之内,对数据库进行了至少1次修改
服务器在300秒之内,对数据库进行了至少10次修改。
服务器在60秒之内,对数据库进行了至少10000次修改。

满足触发条件后,数据就会被保存为快照,正是因为这样才说 RDB 的数据完整性是比不上 AOF 的。

触发保存条件后,会在指定的目录生成一个名为 dump.rdb 的文件,等到下一次启动 Redis 时,Redis 会去读取该目录下的 dump.rdb 文件,将里面的数据恢复到 Redis。

这个目录在哪里呢?

我们可以在客户端中输入命令config get dir查看:

gannicus@$ src/redis-cli
127.0.0.1:6379> config get dir
1) "dir"
2) "/home/gannicus/Documents/redis-5.0.0"
127.0.0.1:6379> 

返回结果中的"/home/gannicus/Documents/redis-5.0.0"就是存放 dump.rdb 的目录。

Redis 版本说明

在测试之前,说明一下前提。redis 是直接从官网下载的压缩包,解压后得到的 redis-x.x.x 文件夹,比如我的是 redis-5.0.0,然后进入文件夹,在 redis-5.0.0 项目根目录使用make命令安装。

RDB 被动触发保存测试

刚才提到它分为主动保存与被动触发,现在我们来测试一下被动触发。首先启动 redis-server,然后再打开客户端 redis-cli ,先增添几条记录:

127.0.0.1:6379> set lca 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcb 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcc 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcd 1
OK
127.0.0.1:6379> set lce 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcf 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcg 1
OK
127.0.0.1:6379> set lch 1
OK
127.0.0.1:6379> set lci 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcj 1
OK
127.0.0.1:6379> set lck 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcl 1
OK
127.0.0.1:6379> set lcm 1
OK

可以看到,总共添加了 13 条记录:

127.0.0.1:6379> keys *
 1) "lca"
 2) "lcd"
 3) "lcg"
 4) "lce"
 5) "lcb"
 6) "lcm"
 7) "lcf"
 8) "lci"
 9) "lcl"
10) "lcc"
11) "lck"
12) "lcj"
13) "lch"
127.0.0.1:6379> 

然后发现redis-server端的日志窗口中出现了如下的提示:

21971:M 21 Oct 2018 16:52:44.062 * 10 changes in 300 seconds. Saving...
21971:M 21 Oct 2018 16:52:44.063 * Background saving started by pid 22552
22552:C 21 Oct 2018 16:52:44.066 * DB saved on disk
21971:M 21 Oct 2018 16:52:44.165 * Background saving terminated with success

从英文提示中可以大概读懂这些内容,它检测到 300 秒内有 10 条记录被改动,刚才我们添加了 13 条数据记录,满足 redis.conf 中对于 RDB 数据保存的条件,所以这里执行数据保存操作,并且提示开辟了一个 22552 的进程出来执行保存操作,最后提示保存成功。

并且在目录内看到有 dump.rdb 文件生成。

现在将redis进程kill,哪些数据会被保存?

通过命令 kill -9 pid ( pid 是进程编号)模拟 Redis 异常关闭,然后再启动 Redis ,我们来看一看,到底是只保存了 10 条记录还是 13 条全都保存下来了?

127.0.0.1:6379> keys *
 1) "lcb"
 2) "lcj"
 3) "lcd"
 4) "lch"
 5) "lci"
 6) "lcc"
 7) "lcf"
 8) "lce"
 9) "lca"
10) "lcg"
127.0.0.1:6379> 

重启后查看记录,发现 13 条记录中只有 10 条记录会被保存,这也印证了之前所说,RDB 方式的数据完整性是不可靠的,除非断掉的那一刻正好是满足触发条件的条数。

关闭 RDB

刚才提到了,它是默认启用的,如果你不需要它可以在配置文件中将这 3 个配置注释掉,并新增 save ""即可:

  save ""
# save 900 1
# save 300 10
# save 60 10000


保存配置文件后需要重新启动 Redis 服务才会生效,然后继续添加十几条记录:

127.0.0.1:6379> keys *
 1) "lcb"
...
23) "lca"
24) "lcg"
127.0.0.1:6379> 

在之前已有 10 条的基础上我再增加了 14 条记录,这次同样要通过kill来模拟 Redis 异常关闭,再启动服务看一看,数据是否还被保存:

127.0.0.1:6379> keys *
 1) "lcb"
 2) "lcj"
 3) "lcd"
 4) "lch"
 5) "lci"
 6) "lcc"
 7) "lcf"
 8) "lce"
 9) "lca"
10) "lcg"
127.0.0.1:6379> 

发现后面添加的 14 条记录并没有被保存,恢复数据的时候仅仅只是恢复了之前的 10 条。并且观察 Redis 服务端窗口日志,并未发现像之前一样的触发保存的提示,证明 RDB 方式已经被关闭。

RDB 主动保存测试

通过配置文件关闭被动触发,那么主动关闭是否还会生效呢?

在 Redis 客户端( redis-cli )通过del命令删除几条记录,然后输入save命令执行保存操作:

127.0.0.1:6379> keys *
 1) "lcc"
 2) "lch"
 3) "lcb"
 4) "lci"
 5) "lce"
 6) "lcj"
 7) "lcg"
 8) "lca"
 9) "lcd"
10) "lcf"
127.0.0.1:6379> del lca lcb lcc
(integer) 3
127.0.0.1:6379> save
OK
127.0.0.1:6379> 

可以看到redis-server的日志有新的提示:22598:M 21 Oct 2018 17:22:31.365 * DB saved on disk,它告诉我们数据已经保存。

那么继续模拟异常关闭,再打开服务,看一看是否真的保存了这些操作:

127.0.0.1:6379> keys *
1) "lci"
2) "lcj"
3) "lcd"
4) "lcg"
5) "lcf"
6) "lce"
7) "lch"
127.0.0.1:6379> 


果不其然,这几个删除操作都被保存了下来,恢复过来的数据中已经没有那 3 条记录了,证明主动关闭不受 配置文件的影响。

除了save还有其他的保存方式么?

save 和 bgsave 保存

有的,Redis 提供了savebgsave这两种不同的保存方式,并且这两个方式在执行的时候都会调用rdbSave函数,但它们调用的方式各有不同:

  • save 直接调用 rdbSave方法 ,阻塞 Redis 主进程,直到保存完成为止。在主进程阻塞期间,服务器不能处理客户端的任何请求。
  • bgsave 则 fork 出一个子进程,子进程负责调用 rdbSave ,并在保存完成之后向主进程发送信号,通知保存已完成。因为 rdbSave 在子进程被调用,所以 Redis 服务器在 bgsave 执行期间仍然可以继续处理客户端的请求。

save 是同步操作,bgsave 是异步操作。

bgsave命令的使用方法和save命令的使用方法是一样的:

127.0.0.1:6379> keys *
1) "lci"
2) "lcj"
3) "lcd"
4) "lcg"
5) "lcf"
6) "lce"
7) "lch"
127.0.0.1:6379> del lci lcj 
(integer) 2
127.0.0.1:6379> bgsave
Background saving started
127.0.0.1:6379> keys *
1) "lcd"
2) "lcg"
3) "lcf"
4) "lce"
5) "lch"
127.0.0.1:6379> 

shutdown 保存

事实上,shutdown命令也是可以保存数据的,惊不惊喜。它会在关闭前将数据保存下来,意不意外?

127.0.0.1:6379> set app 1
OK
127.0.0.1:6379> set apps 1
OK
127.0.0.1:6379> keys *
1) "apps"
2) "lcd"
3) "lcg"
4) "lcf"
5) "app"
6) "lce"
7) "lch"
127.0.0.1:6379> shutdown
not connected> quit
gannicus@$ 

然后 Redis 服务就被关闭掉了。我们需要重新启动 Redis 服务,到客户端中看一看是否生效:

gannicus@$ src/redis-cli
127.0.0.1:6379> keys *
1) "lce"
2) "lcf"
3) "lcd"
4) "lch"
5) "lcg"

竟然没有生效,刺不刺激?这是为什么呢?明明官方文档之shutdown就说会保存了才退出的,你骗人~

注意到,文档中有一句

恍然大悟,原来是要在持久化被打开的情况下,通过shutdown命令关闭才不会丢失数据,那么就到配置文件中将那几个save的配置项打开吧:

#   save ""
save 900 1
save 300 10
save 60 10000

然后再开启 Redis 服务,再尝试一遍(过程为:添加 -> shutdown -> 重启服务 -> 查看):

127.0.0.1:6379> set app 1
OK
127.0.0.1:6379> set apps 1
OK
127.0.0.1:6379> shutdown
not connected> quit
gannicus@$ src/redis-cli
127.0.0.1:6379> keys *
1) "lce"
2) "lch"
3) "app"
4) "lcf"
5) "apps"
6) "lcd"
7) "lcg"
127.0.0.1:6379> 


这下终于弄明白了。

AOF 方式持久化的开启与配置

开启 AOF

默认是不开启 AOF 的,如果想要启用则需要到 redis.conf 配置文件中开启,打开 redis.conf:

$ vim redis.conf

然后在文件中找到 appendonly 并将 no 改为 yes

appendonly yes

即为开启了 AOF 方式的持久化。

设置同步方式

AOF 还有支持几种同步方式,它们分别是:

appendfsync always  # 每次有数据修改发生时都会写入AOF文件(安全但是费时)。
appendfsync everysec  # 每秒钟同步一次,该策略为AOF的缺省策略。
appendfsync no  # 从不同步。高效但是数据不会被持久化。

默认配置是 everysec,你可以根据需求进行调整,这里我将配置改成 always

appendfsync always
# appendfsync everysec
# appendfsync no

自定义 AOF 记录文件的文件名

Redis 设置有默认的文件名,在配置中显示为:

appendfilename "appendonly.aof"

你可以让其保持默认名字,也可以指定其他的文件名,比如:

appendfilename "RNGLetme.aof"


appendonlyappendfsyncappendfilename设置好并保存。重新启动 Redis 服务:

$./redis-server

通过命令 ls 查看本地文件,可以看到新生成了一个名为 RNGLetme.aof 的文件,可以使用:

$cat RNGLetme.aof  

来查看里面的内容,由于当前未进行数据的改动,所以是空白的。

然后打开 Redis 的客户端:

$./redis-cli

并且添加几条数据记录:

127.0.0.1:6379> set rng lpl
OK
127.0.0.1:6379> set ig lpl
OK
127.0.0.1:6379> set edg lpl
OK
127.0.0.1:6379> keys *
1) "edg"
2) "rng"
3) "ig"
127.0.0.1:6379> 

可以看到,成功添加了 rngedgig 这三条记录,然后打开 RNGLetme.aof 文件,看看里面的记录:

*2
$6
SELECT
$1
0
*3
$3
set
$3
rng
$3
lpl
*3
$3
set
$2
ig
$3
lpl
*3
$3
set
$3
edg
$3
lpl


每一次的数据添加都被记录下来了。

那如果是删除操作呢,也会被记录下来么?

127.0.0.1:6379> del edg
(integer) 1
127.0.0.1:6379> keys *
1) "rng"
2) "ig"
127.0.0.1:6379> 

执行完删除操作后,再看一看 RNGLetme.aof 文件中的记录:

*2
$6
SELECT
$1
0
*3
$3
set
$3
rng
$3
lpl
*3
$3
set
$2
ig
$3
lpl
*3
$3
set
$3
edg
$3
lpl
*2
$3
del
$3
edg


对比之前的记录,新增了del edg的操作记录。这就印证了之前对 AOF 的描述:以日志的方式将数据变动记录下来。

AOF 恢复测试

下面同样是通过 kill 命令模拟 Redis 异常关闭:

gannicus@$ kill -9 22645

然后再重新启动 Redis 服务:

$ src/redis-server redis.conf

接着通过客户端看一看,那些数据是否都在:

$ src/redis-cli
127.0.0.1:6379> keys *
1) "ig"
2) "rng"


可以看到,rngig都还在,意味着持久化是生效的。

怎样从RDB方式切换为AOF方式

在 Redis 2.2 或以上版本,可以在不重启的情况下,从 RDB 切换到 AOF :

为最新的 dump.rdb 文件创建一个备份、将备份放到一个安全的地方。执行以下两条命令:

redis-cli config set appendonly yes
redis-cli config set save “”

确保写命令会被正确地追加到 AOF 文件的末尾。
执行的第一条命令开启了 AOF 功能: Redis 会阻塞直到初始 AOF 文件创建完成为止, 之后 Redis 会继续处理命令请求, 并开始将写入命令追加到 AOF 文件末尾。

执行的第二条命令用于关闭 RDB 功能。 这一步是可选的, 如果你愿意的话, 也可以同时使用 RDB 和 AOF 这两种持久化功能。

重要:别忘了在 redis.conf 中打开 AOF 功能!否则服务器重启后,之前通过 CONFIG SET 命令设置的配置就会被遗忘, 程序会按原来的配置来启动服务器。

优先选择 RDB 还是 AOF 呢?

分析对比两种方式并做了测试后,发现这是两种不同风格的持久化方式,那么应该如何选择呢?

  • 对于企业级的中大型应用,如果不想牺牲数据完整性但是又希望保持高效率,那么你应该同时使用 RDB 和 AOF 两种方式;
  • 如果你不打算耗费精力在这个地方,只需要保证数据完整性,那么优先考虑使用 AOF 方式;
  • RDB 方式非常适合大规模的数据恢复,如果业务对数据完整性和一致性要求不高,RDB是很好的选择。

备份redis数据的建议

确保你的数据有完整的备份,磁盘故障、节点失效等问题问题可能让你的数据消失不见, 不进行备份是非常危险的。

Redis 对于数据备份是非常友好的, 因为你可以在服务器运行的时候对 RDB 文件进行复制: RDB 文件一旦被创建, 就不会进行任何修改。 当服务器要创建一个新的 RDB 文件时, 它先将文件的内容保存在一个临时文件里面, 当临时文件写入完毕时, 程序才使用 rename(2) 原子地用临时文件替换原来的 RDB 文件。

这也就是说,无论何时,复制 RDB 文件都是绝对安全的。

  • 创建一个定期任务( cron job ), 每小时将一个 RDB 文件备份到一个文件夹, 并且每天将一个 RDB 文件备份到另一个文件夹。
  • 确保快照的备份都带有相应的日期和时间信息, 每次执行定期任务脚本时, 使用 find 命令来删除过期的快照: 比如说, 你可以保留最近 48 小时内的每小时快照, 还可以保留最近一两个月的每日快照。
  • 至少每天一次, 将 RDB 备份到你的数据中心之外, 或者至少是备份到你运行 Redis 服务器的物理机器之外。

Redis 密码持久化

在 Redis 中数据需要持久化,密码也要持久化。在客户端通过命令:

config set requirepass zxc9527

可以为 Redis 设置值为zxc9527的密码,但是当 Redis 关闭并重新启动后,权限验证功能就会失效,再也不需要密码。所以,密码也需要在 redis.conf 中持久化。打开 redis.conf 找到 requirepass 配置项,取消其注释并在后面设置密码:

requirepass zxc9527


保存后重启 Redis 服务,密码持久化即生效。

参考文章

转载前请联系作者韦世东|禁止商业转载:算法和反爬虫 » Redis 数据持久化详解与实践 动图详解

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