Redis作者:深度剖析Redis持久化 | Hello, Data!
Redis是一种面向"key-value"类型数据的分布式NoSQL数据库系统,具有高性能、持久存储、适应高并发应用场景等优势。它虽然起步较晚,但发展却十分迅速。
近日,Redis的作者在博客中写到,他看到的所有针对Redis的讨论中,对Redis持久化的误解是最大的,于是他写了一篇长文来对Redis的持久化进行了系统性的论述。文章主要包含三个方面:Redis持久化是如何工作的、这一性能是否可靠以及和其它类型的数据库比较。以下为文章内容:
一、Redis持久化是如何工作的?
什么是持久化?简单来讲就是将数据放到断电后数据不会丢失的设备中,也就是我们通常理解的硬盘上。首先我们来看一下数据库在进行写操作时到底做了哪些事,主要有下面五个过程:
- 客户端向服务端发送写操作(数据在客户端的内存中)。
- 数据库服务端接收到写请求的数据(数据在服务端的内存中)。
- 服务端调用write这个系统调用,将数据往磁盘上写(数据在系统内存的缓冲区中)。
- 操作系统将缓冲区中的数据转移到磁盘控制器上(数据在磁盘缓存中)。
- 磁盘控制器将数据写到磁盘的物理介质中(数据真正落到磁盘上)。
故障分析
写操作大致有上面5个流程,下面我们结合上面的5个流程看一下各种级别的故障:
- 当数据库系统故障时,这时候系统内核还是完好的。那么此时只要我们执行完了第3步,那么数据就是安全的,因为后续操作系统会来完成后面几步,保证数据最终会落到磁盘上。
- 当系统断电时,这时候上面5项中提到的所有缓存都会失效,并且数据库和操作系统都会停止工作。所以只有当数据在完成第5步后,才能保证在断电后数据不丢失。
通过上面5步的了解,可能我们会希望搞清下面一些问题:
- 数据库多长时间调用一次write,将数据写到内核缓冲区?
- 内核多长时间会将系统缓冲区中的数据写到磁盘控制器?
- 磁盘控制器又在什么时候把缓存中的数据写到物理介质上?
对于第一个问题,通常数据库层面会进行全面控制。而对第二个问题,操作系统有其默认的策略,但是我们也可以通过POSIX API提供的fsync系列命令强制操作系统将数据从内核区写到磁盘控制器上。对于第三个问题,好像数据库已经无法触及,但实际上,大多数情况下磁盘缓存是被设置关闭的,或者是只开启为读缓存,也就是说写操作不会进行缓存,直接写到磁盘。建议的做法是仅仅当你的磁盘设备有备用电池时才开启写缓存。
数据损坏
所谓数据损坏,就是数据无法恢复,上面我们讲的都是如何保证数据是确实写到磁盘上去,但是写到磁盘上可能并不意味着数据不会损坏。比如我们可能一次写请求会进行两次不同的写操作,当意外发生时,可能会导致一次写操作安全完成,但是另一次还没有进行。如果数据库的数据文件结构组织不合理,可能就会导致数据完全不能恢复的状况出现。
这里通常也有三种策略来组织数据,以防止数据文件损坏到无法恢复的情况:
- 第一种是最粗糙的处理,就是不通过数据的组织形式保证数据的可恢复性。而是通过配置数据同步备份的方式,在数据文件损坏后通过数据备份来进行恢复。实际上MongoDB在不开启操作日志,通过配置Replica Sets时就是这种情况。
- 另一种是在上面基础上添加一个操作日志,每次操作时记一下操作的行为,这样我们可以通过操作日志来进行数据恢复。因为操作日志是顺序追加的方式写的,所以不会出现操作日志也无法恢复的情况。这也类似于MongoDB开启了操作日志的情况。
- 更保险的做法是数据库不进行旧数据的修改,只是以追加方式去完成写操作,这样数据本身就是一份日志,这样就永远不会出现数据无法恢复的情况了。实际上CouchDB就是此做法的优秀范例。
1、Redis的第一个持久化策略:RDB快照
Redis支持将当前数据的快照存成一个数据文件的持久化机制。而一个持续写入的数据库如何生成快照呢。Redis借助了fork命令的copy on write机制。在生成快照时,将当前进程fork出一个子进程,然后在子进程中循环所有的数据,将数据写成为RDB文件。
我们可以通过Redis的save指令来配置RDB快照生成的时机,比如你可以配置当10分钟以内有100次写入就生成快照,也可以配置当1小时内有1000次写入就生成快照,也可以多个规则一起实施。这些规则的定义就在Redis的配置文件中,你也可以通过Redis的CONFIG SET命令在Redis运行时设置规则,不需要重启Redis。
Redis的RDB文件不会坏掉,因为其写操作是在一个新进程中进行的,当生成一个新的RDB文件时,Redis生成的子进程会先将数据写到一个临时文件中,然后通过原子性rename系统调用将临时文件重命名为RDB文件,这样在任何时候出现故障,Redis的RDB文件都总是可用的。
同时,Redis的RDB文件也是Redis主从同步内部实现中的一环。
但是,我们可以很明显的看到,RDB有它的不足,就是一旦数据库出现问题,那么我们的RDB文件中保存的数据并不是全新的,从上次RDB文件生成到 Redis停机这段时间的数据全部丢掉了。在某些业务下,这是可以忍受的,我们也推荐这些业务使用RDB的方式进行持久化,因为开启RDB的代价并不高。 但是对于另外一些对数据安全性要求极高的应用,无法容忍数据丢失的应用,RDB就无能为力了,所以Redis引入了另一个重要的持久化机制:AOF日志。
2、Redis的第二个持久化策略:AOF日志
AOF日志的全称是Append Only File,从名字上我们就能看出来,它是一个追加写入的日志文件。与一般数据库不同的是,AOF文件是可识别的纯文本,它的内容就是一个个的Redis标准命令。比如我们进行如下实验,使用Redis2.6 版本,在启动命令参数中设置开启AOF功能:
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