05 Redis的RDB日志

前言
一、Redis 做内存数据快照的数据
二、Redis 生成 RDB 文件的命令save 和 bgsave
三、Redis 生成RDB文件时的写时复制技术
四、Redis 生成RDB文件时的快照连拍
五、Redis 生成RDB文件时的增量快照
六 Redis 的混合使用 AOF 日志和内存快照RDB
总结

前言

Redis 避免数据丢失的 AOF 方法：

优点：每次执行只需要记录操作命令，需要持久化的数据量不大。只要采用的不是 always 的持久化策略，就不会对性能造成太大影响。
缺点：因为记录的是操作命令，而不是实际的数据，所以用 AOF 方法进行故障恢复的时候，需要逐一把操作日志都执行一遍。如果操作日志非常多，Redis 就会恢复得很缓慢，影响到正常使用。

为避免此问题，Redis提供了另一种持久化方法：内存快照，指内存中的数据在某一个时刻的状态记录。这就类似于照片，当你给朋友拍照时，一张照片就能把朋友一瞬间的形象完全记下来。

Redis 实现类似照片记录效果的方式，把某一时刻的状态以文件的形式写到磁盘上，也就是快照。即使宕机，快照文件也不会丢失，数据的可靠性也就得到了保证。这个快照文件就称为 RDB （ Redis DataBase）文件。

和 AOF 相比，RDB 记录的是某一时刻的数据，并不是操作，所以在做数据恢复时，可以直接把 RDB 文件读入内存，很快地完成恢复。

一、Redis 做内存数据快照的数据

Redis 的数据都在内存中，为了提供所有数据的可靠性保证，它执行的是全量快照，把内存中的所有数据都记录到磁盘中，这就类似于给 100 个人拍合影，把每一个人都拍进照片里，一次性记录了所有数据，一个都不少。

给一个人拍照时，只用协调一个人就够了，但是拍 100 人的大合影，却需要协调 100 个人的位置、状态，等等，这当然会更费时费力。给内存的全量数据做快照，把它们全部写入磁盘也会花费很多时间。而且全量数据越多，RDB 文件就越大，往磁盘上写数据的时间开销就越大。

二、Redis 生成 RDB 文件的命令save 和 bgsave

Redis 的单线程模型就决定了，要尽量避免所有会阻塞主线程的操作，RDB 文件的生成是否会阻塞主线程，这就关系到是否会降低 Redis 的性能。

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件：

save：在主线程中执行，会导致阻塞；
bgsave：创建一个子进程，专门用于写入 RDB 文件，避免了主线程的阻塞，这也是 Redis RDB 文件生成的默认配置。

可以通过 bgsave 命令来执行全量快照，这既提供了数据的可靠性保证，也避免了对 Redis 的性能影响。

三、Redis 生成RDB文件时的写时复制技术

在给别人拍照时一旦对方动了，那么这张照片就拍糊了就需要重拍，所以希望对方保持不动。对于内存快照而言，也不希望数据“动”。

在时刻 t 给内存做快照，假设内存数据量是 4GB，磁盘的写入带宽是 0.2GB/s，至少需要 20s（4/0.2 = 20）才能做完。如果在时刻 t+5s 时，一个还没有被写入磁盘的内存数据 A，被修改成了 A’，那么就会破坏快照的完整性，因为 A’不是时刻 t 时的状态。因此和拍照类似，在做快照时也不希望数据“动”，也就是不能被修改。

但是如果快照执行期间数据不能被修改，是会有潜在问题的。在做快照的 20s 时间里，如果这 4GB 的数据都不能被修改，Redis 就不能处理对这些数据的写操作，就会给业务服务造成巨大的影响。

虽然可以用 bgsave 可以避免阻塞，避免阻塞和正常处理写操作并不是一回事。主线程的确没有阻塞，可以正常接收请求，为了保证快照完整性，它只能处理读操作，因为不能修改正在执行快照的数据。

为了快照而暂停写操作，肯定是不能接受的，Redis 就会借助操作系统提供的写时复制技术（Copy-On-Write, COW），在执行快照的同时，可以正常处理写操作。

bgsave 子进程是由主线程 fork 生成的，可以共享主线程的所有内存数据。 bgsave 子进程运行后，开始读取主线程的内存数据，并把它们写入 RDB 文件。

如果主线程对这些数据也都是读操作（例如图中的键值对 A），那么主线程和 bgsave 子进程相互不影响。
如果主线程要修改一块数据（例如图中的键值对 C），那么这块数据就会被复制一份，生成该数据的副本。然后bgsave 子进程会把这个副本数据写入 RDB 文件，而在这个过程中，主线程仍然可以直接修改原来的数据。

这既保证了快照的完整性，也允许主线程同时对数据进行修改，避免了对正常业务的影响。

四、Redis 生成RDB文件时的快照连拍

对于快照来说，所谓“连拍”就是指连续地做快照。快照的间隔时间变得很短，即使某一时刻发生宕机了，因为上一时刻快照刚执行，丢失的数据也不会太多。但是，这其中的快照间隔时间就很关键了。

如图，先在 T0 时刻做了一次快照，然后又在 T0+t 时刻做了一次快照，在这期间，数据块 5 和 9 被修改了。如果在 t 这段时间内机器宕机了，只能按照 T0 时刻的快照进行恢复。数据块 5 和 9 的修改值因为没有快照记录，就无法恢复了。

所以要想尽可能恢复数据，t 值就要尽可能小，t 越小，就越像“连拍”。

五、Redis 生成RDB文件时的增量快照

当然也不是t越小越好，虽然 bgsave 执行时不阻塞主线程，但是频繁地执行全量快照也会带来两方面的开销：

频繁将全量数据写入磁盘，会给磁盘带来很大压力，多个快照竞争有限的磁盘带宽，前一个快照还没有做完，后一个又开始做了，容易造成恶性循环。
bgsave 子进程需要通过 fork 操作从主线程创建出来。虽然子进程在创建后不会再阻塞主线程，但是fork 这个创建过程本身会阻塞主线程，而且主线程的内存越大，阻塞时间越长。如果频繁 fork 出 bgsave 子进程，这就会频繁阻塞主线程了。

Redis提供了增量快照：做了一次全量快照后，后续的快照只对修改的数据进行快照记录，避免每次全量快照的开销。

在第一次做完全量快照后，T1 和 T2 时刻如果再做快照，只需要将被修改的数据写入快照文件就行。但是这么做的前提是需要记住哪些数据被修改了，需要使用额外的元数据信息去记录哪些数据被修改了，这会带来额外的空间开销问题。

缺点：

如果对每一个键值对的修改都做个记录，那么如果有 1 万个被修改的键值对，就需要有 1 万条额外的记录。
有的键值对非常小，比如只有 32 字节，而记录它被修改的元数据信息，可能就需要 8 字节，为了“记住”修改，引入的额外空间开销比较大。这对于内存资源宝贵的 Redis 来说，有些得不偿失。

跟 AOF 相比，快照的恢复速度快，但是，快照的频率不好把握，如果频率太低，两次快照间一旦宕机，就可能有比较多的数据丢失。如果频率太高，又会产生额外开销。

六 Redis 的混合使用 AOF 日志和内存快照RDB

Redis 4.0 中提出了一个混合使用 AOF 日志和内存快照的方法。内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，使用 AOF 日志记录这期间的所有命令操作。

优点：

快照不用很频繁地执行，这就避免了频繁 fork 对主线程的影响。
AOF 日志也只用记录两次快照间的操作，不需要记录所有操作了，就不会出现文件过大的情况了，也可以避免重写开销。

如图，T1 和 T2 时刻的修改，用 AOF 日志记录，等到第二次做全量快照时，就可以清空 AOF 日志，因为此时的修改都已经记录到快照中了，恢复时就不再用日志了。

既能享受到 RDB 文件快速恢复的好处，又能享受到 AOF 只记录操作命令的简单优势。

总结

Redis 用于避免数据丢失的内存快照方法：

优点：可以快速恢复数据库，只需要把 RDB 文件直接读入内存，避免了 AOF 需要顺序、逐一重新执行操作命令带来的低效性能问题；
缺点：内存快照的局限性。它拍的是一张内存的“大合影”，不可避免地会耗时耗力。虽然Redis 设计了 bgsave 和写时复制方式，尽可能减少了内存快照对正常读写的影响，但是频繁快照仍然是不太能接受的。

混合使用 RDB 和 AOF，正好可以取两者之长，避两者之短，以较小的性能开销保证数据可靠性和性能。

使用AOF 和 RDB 的建议：

数据不能丢失时：内存快照和 AOF 的混合使用是一个很好的选择；
允许分钟级别的数据丢失：可以只使用 RDB；
只用 AOF：优先使用 everysec 的配置选项，因为它在可靠性和性能之间取了一个平衡。

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