Redis高可用与持久化

1.Redis高可用

在web服务器中，高可用是指服务器可以正常访问的时间，衡量的标准是在多长时间内可以提供正常服务(99.9%、 99.99%、 99.999%等等)。但是在Redis语境中， 高可用的含义似乎要宽泛一些，除了保证提供正常服务(如主从分离、快速容灾技术)，还需要考虑数据容量的扩展，数据安全不会丢失等。

在Redis中，实现高可用的技术主要包括持久化、主从复制、哨兵和集群，作用如下：

持久化: 持久化是最简单的高可用方法(有时甚至不被归为高可用的手段)，主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。

主从复制 :主从复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在主从复制基础上实现高可用的。主从复制主要实现了数据的多机备份，以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。缺陷:故障恢复无法自动化;写操作无法负载均衡;存储能力受到单机的限制。

哨兵 :在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。缺陷 :写操作无法负载均衡;存储能力受到单机的限制。

集群 : 通过集群， Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善 的高可用方案。

2.Redis持久化

2.1持久化的功能

Redis是内存数据库，数据都是存储在内存中，为了避免服务器断电等原因导致Redis进程异常退出后数据的永久丢失，需要定期将Redis中的数据以某种形式(数据或命令)从内存保存到硬盘;当下次Redis重启时，利用持久化文件实现数据恢复。除此之外，为了进行灾难备份，可以将持久化文件拷贝到一个远程位置。

2.2Redis提供两种方式进行持久化

RDB持久化（Redis DataBase）: 原理是将Reids在内存中的数据库记录定时保存到磁盘上。

AOF持久化(append only file) : 原理是将Reids的操作日志以追加的方式写入文件，类似于MySQL的binlog。

• 总结：由于AOF持久化的实时性更好，即当进程意外退出时丢失的数据更少，因此AOF是目前主流的持久化方式，不过RDB持久化仍然有其用武之地 。

3.RDB持久化

RDB持久化是指在指定的时间间隔内将内存中当前进程中的数据生成快照保存到硬盘(因此也称作快照持久化)，用二进制压缩存储，保存的文件后缀是rdb；当Redis重新启动时，可以读取快照文件恢复数据。

3.1触发条件

手动触发

• save命令和bgsave命令都可以生成RDB文件。
• save命令会阻塞Redis服务器进程，直到RDB文件创建完毕为止，在Redis服务器阻塞期间，服务器不能处理任何命令请求。
• bgsave命令会创建一个子进程，由子进程来负责创建RDB文件，父进程 (即Redis主进程) 则继续处理请求。
• bgsave命令执行过程中，只有fork子进程时会阻塞服务器，而对于save命令，整个过程都会阻塞服务器，因此save已基本被废弃，线上环境要杜绝save的使用！！！

自动触发

​在自动触发RDB持久化时，Redis也 会选择bgsave而不是save来进行持久化。

自动触发最常见的情况是在配置文件中通过save m n，指定当m秒内发生n次变化时，会触发bgsave

其他自动触发机制

除了 save m n 以外，还有一些其他情况会触发bgsave:

1. 在主从复制场景下，如果从节点执行全量复制操作，则主节点会执行bgsave命令，并将rdb文件发送给从节点。
2. 执行shutdown命令时，自动执行rdb持久化

3.2启动时加载

• RDB文件的载入工作是在服务器启动时自动执行的，并没有专门的命令。
• 但是由于A0F的优先级更高，因此当AOF开启时，Redis会优先载入AOF文件来恢复数据。
• 只有当A0F关闭时，才会在Redis服务器启动时检测RDB文件，并自动载入。
• 服务器载入RDB文件期间处于阻塞状态，直到载入完成为止。
• Redis载入RDB文件时，会对RDB文件进行校验，如果文件损坏，则日志中会打印错误，Redis启动失败。

4.AOF持久化

RDB持久化是将进程数据写入文件，而AOF持久化，则是将Redis执行的每次写、删除命令记录到单独的日志文件中，查询操作不会记录;当Redis重启时再次执行AOF文件中的命令来恢复数据。

与RDB相比，AOF的实时性更好，因此已成为主流的持久化方案

4.1执行流程

由于需要记录Redis的每条写命令，因此A0F不需要触发，AOF的执行流程：

命令追加(append): 将Redis的写命令追加到缓冲区aof_ buf;

文件写入(write)和文件同步(sync):根据不同的同步策略将aof_buf中的内容同步到硬盘;

文件重写(rewrite): 定期重写AOF文件，达到压缩的目的。

4.1.1命令追加 (append)

Redis先将写命令追加到缓冲区，而不是直接写入文件，主要是为了避免每次有写命令都直接写入硬盘，导致硬盘IO成为Redis负载的瓶颈。

命令追加的格式是Redis命令请求的协议格式，它是一种纯文本格式，具有兼容性好、可读性强、容易处理、操作简单避免二次开销等优点。在A0F文件中，除了用于指定数据库的select命令 (如select0为选中0号数据库) 是由Redis添加的，其他都是客户端发送来的写命令。

4.1.2文件写入(write) 和文件同步 (sync)

Redis 提供了多种AOF缓存区的同步文件策略，策略涉及到操作系统的write函数和fsync函数，说明如下:

为了提高文件写入效率，在现代操作系统中，当用户调用write函数将数据写入文件时，操作系统通常会将数据暂存到一个内存缓冲区里，当缓冲区被填满或超过了指定时限后，才真正将缓冲区的数据写入到硬盘里。这样的操作虽然提高了效率，但也带来了安全问题:如果计算机停机，内存缓冲区中的数据会丢失;因此系统同时提供了fsync、fdatasync等同步函数，可以强制操作系统立刻将缓冲区中的数据写入到硬盘里，从而确保数据的安全性。

AOF缓存区的同步文件策略存在三种同步方式，它们分别是：

appendfsync always一直触发

appendfsync no不进行持久化

appendfsync everysec每一秒触发

4.1.3文件重写

1. 随着时间流逝，Redis服务器执行的写命令越来越多，AOF文件也会越来越大：过大的AOF文件不仅会影响服务器的正常运行，也会导致数据恢复需要的时间过长。
2. 文件重写是指定期重写AOF文件，减小AOF文件的体积。需要注意的是，AOF重写是把Redis进程内的数据转化为写命令，同步到新的AOF文件；不会对旧的AOF文件进行任何读取、写入操作!
3. 关于文件重写需要注意的另一点是：对于AOF持久化来说，文件重写虽然是强烈推荐的，但并不是必须的；即使没有文件重写，数据也可以被持久化并在Redis启动的时候导入：因此在一些实现中，会关闭自动的文件重写，然后通过定时任务在每天的某一时刻定时执行。

4.2​文件重写能压缩AOF文件的原因

1. 过期的数据不再写入文件；
2. 无效的命令不再写入文件：如有些数据被重复设值(set mykey test1, set mykey test2)、有些数据被删除了(sadd myset vtest, del myset) 等。
3. 多条命令可以合并为一个：如sadd myset test1, sadd myset test2， sadd myset test3可以合并为sadd myset test1 test2 test3

通过上述内容可以看出，由于重写后AOF执行的命令减少了，文件重写既可以减少文件占用的空间，也可以加快恢复速度。

4.3文件重写的触发

文件重写的触发，分为手动触发和自动触发

手动触发:直接调用bgrewriteaof命令，该命令的执行与bgsave有些类似:都是fork子进程进行具体的工作，且都只有在fork时阻塞。

自动触发:通过设置auto-aof-rewrite-min-size选项和auto-aof-rewrite-percentage选项来自动执行BGREWRITEAOF。只有当auto-aof-rewrite-min-size和auto-aof-rewrite-percentage两个选项同时满足时，才会自动触发AOF重写，即bgrewriteaof操作。

5.RDB和AOF的优缺点

5.1RDB持久化的优缺点

优点：RDB文件紧凑，体积小，网络传输快，适合全量复制;恢复速度比AOF快很多。当然，与AOF相比， RDB最 重要的优点之一是对性能的影响相对较小。

缺点：RDB文件的致命缺点在于其数据快照的持久化方式决定了必然做不到实时持久化，而在数据越来越重要的今天，数据的大量丢失很多时候是无法接受的，因此AOF持久化成为主流。此外，RDB文件需要满足特定格式，兼容性差(如老版本的Redis不兼容新版本的RDB文件)。 对于RDB持久化，一方面是bgsave在进行fork操作时Redis主进程会阻塞，另一方面，子进程向硬盘写数据也会带来IO压力。

5.2AOF持久化的优缺点

与RDB持久化相对应，AOF的优点在于支持秒级持久化、兼容性好，缺点是文件大、恢复速度慢、对性能影响大。

对于AOF持久化，向硬盘写数据的频率大大提高(everysec策略下为秒级)，IO压力更大，甚至可能造成AOF追加阻塞问题。

AOF文件的重写与RDB的bgsave类似，会有fork时的阻塞和子进程的I0压力问题。相对来说，由于AOF向硬盘中写数据的频率更高，因此对Redis主进程性能的影响会更大。

6.Redis性能管理

6.1内存碎片率

操作系统分配的内存值used_ memory_ rss除以Redis使用的内存值used_ memory计算得出内存碎片是由操作系统低效的分配/回收物理内存导致的 (不连续的物理内存分配)

6.2跟踪内存碎片率

跟踪内存碎片率对理解Redis实例的资源性能是非常重要的:

内存碎片率稍大于1是合理的，这个值表示内存碎片率比较低内存碎片率超过1.5，说明Redis消耗了实际需要物理内存的150号，其中50号是内存碎片率。需要在redis-cli工具.上输入shutdown save命令，并重启Redis 服务器。

内存碎片率低于1的，说明Redis内存分配超出了物理内存，操作系统正在进行内存交换。需要增加可用物理内存或减少Redis内存占用。

6.3 内存使用率

redis实例的内存使用率超过可用最大内存，操作系统将开始进行内存与swap空间交换。

避免内存交换发生的方法：

针对缓存数据大小选择安装Redis 实例

尽可能的使用Hash数据结构存储

设置key的过期时间

6.4 内回收key

保证合理分配redis有限的内存资源。当达到设置的最大阀值时，需选择一种key的回收策略，默认情况下回收策略是禁止删除。 配置文件中修改maxmemory- policy属性值：