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高可用缓存架构实战1-Redis配置和持久化

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此为龙果学院课程笔记，记录以供以后翻看

Redis

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API。

Redis与其他key-value缓存产品有以下三个特点：

  1. Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保存在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
  2. Redis不仅仅支持简单的key-value类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。
  3. Redis支持数据的备份，即master-slave模式的数据备份。

Redis持久化的意义

Redis的安装：centos7安装redis4.0.10并进行生产环境部署。

都知道redis数据可以做持久化，但是有个问题，redis的持久化意义是什么？redis的持久化方式RDB，AOF的区别，各自的特点是什么，适合什么场景，redis的企业级的持久化方案是什么，是用来跟哪些企业级的场景结合起来使用的？

Redis持久化的意义在于故障恢复，比如你部署了一个redis作为cache缓存，当然也可以保存一些较为重要的数据，如果没有持久化的话，redis遇到灾难性故障的时候，就会丢失所有的数据，如果通过持久化将数据存一份在磁盘上，然后定期同步和备份到云存储服务上去，那么就可以保证数据不丢失全部，可以恢复一部分数据回来。

持久化和高可用的关系

企业级redis集群架构：海量数据、高并发、高可用。

所以对于一个企业级的redis架构来说，持久化是必不可少的。持久化主要是做灾难恢复，数据恢复，也可以归类到高可用的一个环节里面去。

如果redis整个挂了，redis就不可用了，你要做的事情是让redis变得可用，尽快变得可用。重启redis，尽快让它对外提供服务，如果你没做数据备份，这个时候redis启动了，也不可用，数据都没了。

很可能大量的请求过来，缓存全部无法命中，在redis里根本找不到数据，这个时候就死定了，缓存雪崩，所有请求都没有在redis命中，就会去mysql数据库这种数据源头中去找，一下子mysql承接高并发，然后就挂了。如果mysql再挂掉，你都没法去找数据恢复到redis里面去，因为redis的数据从哪来？从mysql来的。

如果你把redis的持久化做好，备份和恢复方案做到企业级的程度，那么即使你的redis故障了，也可以通过备份数据，快速恢复，一旦恢复立即对外提供服务。

所以说Redis的持久化跟高可用，是密切相关的。

Redis持久化：RDB和AOF两种持久化机制的介绍

  • RDB持久化机制，对redis中的数据执行周期性的持久化。

  • AOF机制对每条写入命令作为日志，以append-only的模式写入一个日志文件中，在redis重启的时候，可以通过回放AOF日志中的写入指令来重新构建整个数据集。

如果我们想要redis仅仅作为纯内存的缓存来用，那么可以禁止RDB和AOF所有的持久化机制。

通过RDB或AOF，都可以将redis内存中的数据给持久化到磁盘，然后可以将这些数据备份到别的地方去，比如阿里云或者其他云服务。

如果redis挂了，服务器上的内存和磁盘上的数据都丢了，可以从云服务上拷贝回来之前的数据，放到指定的目录中，然后重新启动redis，redis就会自动根据持久化数据文件中的数据，去恢复内存中的数据，继续对外提供服务.

如果同时使用RDB和AOF两种持久化机制，那么在redis重启的时候，会使用AOF来重新构建数据，因为AOF中的数据更加完整

RDB持久化机制的优点

1.RDB会生成多个数据文件，每个数据文件都代表了某一个时刻中redis的数据，这种多个数据文件的方式，非常适合做冷备，可以将这种完整的数据文件发送到一些远程的安全存储上去，比如说Amazon的S3云服务上去，在国内可以是阿里云的ODPS分布式存储上，以预定好的备份策略来定期备份redis中的数据。

  • RDB可以做冷备，生成多个文件，每个文件都代表了某一个时刻的完整的数据快照。
  • AOF也可以做冷备，只有一个文件，但是可以每隔一定时间复制一份这个文件出来。

RDB做冷备，优势在哪儿呢？由redis去控制固定时长生成快照文件的事情，比较方便; AOF的话还需要自己写一些各种定时脚本去做这个事情。
RDB数据做冷备，在最坏的情况下，提供数据恢复的时候，速度比AOF快。

2.RDB对redis对外提供的读写服务，影响非常小，可以让redis保持高性能，因为redis主进程只需要fork一个子进程，让子进程执行磁盘IO操作来进行RDB持久化即可

  • RDB：每次写都是直接写redis内存，只是在一定的时候，才会将数据写入磁盘中。
  • AOF：每次都是要写文件中，虽然可以快速写入os cache中，但是还是有一定的时间开销，速度肯定比RDB略慢一些。

3.相对于AOF持久化机制来说，直接基于RDB数据文件来重启和恢复redis进程，更加快速

  • AOF：存放的指令日志，做数据恢复的时候，其实是要回放和执行所有的指令日志，来恢复出来内存中的所有数据。
  • RDB：就是一份数据文件，恢复的时候，直接加载到内存中。

结合上述优点，RDB特别适合做冷备。

RDB持久化机制的缺点

  1. 如果想要在redis故障时，尽可能少的丢失数据，那么RDB没有AOF好。一般来说，RDB数据快照文件，都是每隔5分钟，或者更长时间生成一次，这个时候就得接受一旦redis进程宕机，那么会丢失最近5分钟的数据。

  2. RDB每次在fork子进程来执行RDB快照数据文件生成的时候，如果数据文件特别大，可能会导致对客户端提供的服务暂停数毫秒，或者甚至数秒。

AOF持久化机制的优点

  1. AOF可以更好的保护数据不丢失，一般AOF会每隔1秒，通过一个后台线程执行一次fsync操作，最多丢失1秒钟的数据。

  2. AOF日志文件以append-only模式写入，所以没有任何磁盘寻址的开销，写入性能非常高，而且文件不容易破损，即使文件尾部破损，也很容易修复。

  3. AOF日志文件即使过大的时候，出现后台重写操作，也不会影响客户端的读写。因为在rewrite log的时候，会对其进行压缩，创建出一份需要恢复数据的最小日志出来。再创建新日志文件的时候，老的日志文件还是照常写入。当新的merge后的日志文件ready的时候，再交换新老日志文件即可。

  4. AOF日志文件的命令通过非常可读的方式进行记录，这个特性非常适合做灾难性的误删除的紧急恢复。比如某人不小心用flushall命令清空了所有数据，只要这个时候后台rewrite还没有发生，那么就可以立即拷贝AOF文件，将最后一条flushall命令给删了，然后再将该AOF文件放回去，就可以通过恢复机制，自动恢复所有数据。

AOF持久化机制的缺点

  1. 对于同一份数据来说，AOF日志文件通常比RDB数据快照文件更大。

  2. AOF开启后，支持的写QPS会比RDB支持的写QPS低，因为AOF一般会配置成每秒fsync一次日志文件，当然，每秒一次fsync，性能也还是很高的，如果你要保证一条数据都不丢，也是可以的，AOF的fsync设置成每写入一条数据，fsync一次，那就完蛋了，redis的QPS大降。

  3. 以前AOF发生过bug，就是通过AOF记录的日志，进行数据恢复的时候，没有恢复一模一样的数据出来。所以说，类似AOF这种较为复杂的基于命令日志/merge/回放的方式，比基于RDB每次持久化一份完整的数据快照文件的方式，更加脆弱一些，容易有bug。不过AOF就是为了避免rewrite过程导致的bug，因此每次rewrite并不是基于旧的指令日志进行merge的，而是基于当时内存中的数据进行指令的重新构建，这样健壮性会好很多。

  4. 唯一的比较大的缺点，其实就是做数据恢复的时候，会比较慢，还有做冷备，定期的备份，不太方便，可能要自己手写复杂的脚本去做，做冷备不太合适

RDB和AOF到底该如何选择

  1. 不要仅仅使用RDB，因为那样会导致你丢失很多数据。

  2. 也不要仅仅使用AOF，因为那样有两个问题，第一，通过AOF做冷备，没有RDB做冷备，来的恢复速度更快; 第二，RDB每次简单粗暴生成数据快照，更加健壮，可以避免AOF这种复杂的备份和恢复机制的bug。

  3. 综合使用AOF和RDB两种持久化机制，用AOF来保证数据不丢失，作为数据恢复的第一选择; 用RDB来做不同程度的冷备，在AOF文件都丢失或损坏不可用的时候，还可以使用RDB来进行快速的数据恢复。

持久化配置和数据恢复实验

如何配置RDB持久化机制

在redis的配置文件里，save配置项用来配置RDB。

redis.conf文件，也就是/etc/redis/6379.conf，去配置持久化

这是默认的配置：

1
2
3
save 900 1
save 300 10
save 60 10000

每隔60s，如果有超过10000个key发生了变更，那么就生成一个新的dump.rdb文件，就是当前redis内存中完整的数据快照，这个操作也被称之为snapshotting，快照。

也可以手动调用save或者bgsave命令，同步或异步执行rdb快照生成。

save可以设置多个，就是多个snapshotting检查点，每到一个检查点，就会去check一下，是否有指定的key数量发生了变更，如果有，就生成一个新的dump.rdb文件。

RDB持久化机制的工作流程
  1. redis根据配置自己尝试去生成rdb快照文件
  2. fork一个子进程出来
  3. 子进程尝试将数据dump到临时的rdb快照文件中
  4. 完成rdb快照文件的生成之后，就替换之前的旧的快照文件

dump.rdb，每次生成一个新的快照，都会覆盖之前的老快照

基于RDB持久化机制的数据恢复实验

  1. 在redis中保存几条数据，立即用命令停掉redis，然后重启redis，看看刚才插入的数据还在不在

    经过测试发现数据还在，为什么？通过redis-cli SHUTDOWN这种方式去停掉redis，其实是一种安全退出的模式，redis在退出的时候会将内存中的数据立即生成一份完整的rdb快照。

  2. 在redis中再保存几条新的数据，用kill -9粗暴杀死redis进程，模拟redis故障异常退出，导致内存数据丢失的场景。
    这次就发现，redis进程异常被杀掉，数据没有进dump文件，几条最新的数据就丢失了

  3. 手动设置一个save检查点，save 5 1，5秒检查一次，有一条数据就写入磁盘，写入几条数据，等待5秒钟，会发现自动进行了一次dump rdb快照，在dump.rdb中发现了数据。异常停掉redis进程，再重新启动redis，看刚才插入的数据还在.

AOF持久化的配置

AOF持久化，默认是关闭的，默认是打开RDB持久化。

appendonly yes属性，可以打开AOF持久化机制，在生产环境里面，一般来说AOF都是要打开的，除非你说随便丢个几分钟的数据也无所谓，打开AOF持久化机制之后，redis每次接收到一条写命令，就会写入日志文件中，当然是先写入os cache的，然后每隔一定时间再fsync一下。

而且即使AOF和RDB都开启了，redis重启的时候，也是优先通过AOF进行数据恢复的，因为aof数据比较完整。

可以配置AOF的fsync策略，有三种策略可以选择:一种是每次写入一条数据就执行一次fsync; 一种是每隔一秒执行一次fsync; 一种是不主动执行fsync。

  1. always: 每次写入一条数据，立即将这个数据对应的写日志fsync到磁盘上去，性能非常非常差，吞吐量很低; 如果要确保redis里的数据一条都不丢，那就只能这样了。

    为什么说性能差，这里用mysql和redis比较： 

    1
    2
    mysql -> 内存策略，大量磁盘操作，QPS最多到1、2k。(QPS，每秒钟的请求数量)
    redis -> 内存，磁盘持久化，QPS一般来说上万QPS没问题。

  2. everysec: 每秒将os cache中的数据fsync到磁盘，这个是最常用的，生产环境一般都这么配置，性能很高，QPS还是可以上万的。

  3. no: 仅仅redis负责将数据写入os cache就撒手不管了，然后后面os自己会时不时有自己的策略将数据刷入磁盘，不可控。

AOF持久化的数据恢复实验

  1. 先仅仅打开RDB，写入一些数据，然后kill -9杀掉redis进程，接着重启redis，发现数据没了，因为RDB快照还没生成

  2. 打开AOF的开关，启用AOF持久化

  3. 写入一些数据，观察AOF文件中的日志内容

    其实在appendonly.aof文件中，可以看到刚写的日志，它们其实就是先写入os cache的，然后1秒后才fsync到磁盘中，只有fsync到磁盘中了，才是安全的，要不然光是在os cache中，机器只要重启，就什么都没了。

  4. kill -9杀掉redis进程，重新启动redis进程，发现数据被恢复回来了，就是从AOF文件中恢复回来的。

Redis进程启动的时候，直接就会从appendonly.aof中加载所有的日志，把内存中的数据恢复回来。

AOF rewrite

redis中的数据其实有限的，很多数据可能会自动过期，可能会被用户删除，可能会被redis用缓存清除的算法清理掉。redis中的数据会不断淘汰掉旧的，就一部分常用的数据会被自动保留在redis内存中。所以可能很多之前的已经被清理掉的数据，对应的写日志还停留在AOF中，AOF日志文件就一个，会不断的膨胀，到很大很大。

所以AOF会自动在后台每隔一定时间做rewrite操作，比如日志里已经存放了针对100w数据的写日志了; redis内存只剩下10万; 基于内存中当前的10万数据构建一套最新的日志，到AOF中; 覆盖之前的老日志; 确保AOF日志文件不会过大，保持跟redis内存数据量一致。

redis2.4之前，还需要手动开发一些脚本、crontab，通过BGREWRITEAOF命令去执行AOF rewrite，但是redis2.4之后，会自动进行rewrite操作。

在redis.conf中，可以配置rewrite策略：

1
2
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

比如说上一次AOFrewrite之后，是128mb，然后就会接着128mb继续写AOF的日志，如果发现增长的比例超过了之前的100%，有256mb了，就可能会去触发一次rewrite。

但是此时还要去跟auto-aof-rewrite-min-size，也就是64mb去比较，256mb > 64mb，才会去触发rewrite。

rewrite过程：

  1. redis fork一个子进程
  2. 子进程基于当前内存中的数据，构建日志，开始往一个新的临时的AOF文件中写入日志
  3. redis主进程，接收到client新的写操作之后，在内存中写入日志，同时新的日志也继续写入旧的AOF文件
  4. 子进程写完新的日志文件之后，redis主进程将内存中的新日志再次追加到新的AOF文件中
  5. 用新的日志文件替换掉旧的日志文件

AOF破损文件的修复

如果redis在append数据到AOF文件时，机器宕机了，可能会导致AOF文件破损

用redis-check-aof --fix命令来修复破损的AOF文件

AOF和RDB同时工作

  1. 如果RDB在执行snapshotting操作，那么redis不会执行AOF rewrite; 如果redis再执行AOF rewrite，那么就不会执行RDB snapshotting
  2. 如果RDB在执行snapshotting，此时用户执行BGREWRITEAOF命令，那么等RDB快照生成之后，才会去执行AOF rewrite
  3. 同时有RDB snapshot文件和AOF日志文件，那么redis重启的时候，会优先使用AOF进行数据恢复，因为其中的日志更完整

小实验

  1. 在有rdb的dump和aof的appendonly的同时，rdb里也有部分数据，aof里也有部分数据，这个时候其实会发现，rdb的数据不会恢复到内存中
  2. 我们模拟让aof破损，然后fix，有一条数据会被fix删除
  3. 再次用fix的aof文件去重启redis，发现数据只剩下一条了

数据恢复完全是依赖于底层的磁盘的持久化的，主要rdb和aof上都没有数据，那就没了