Redis 的持久化与过期键

柔光的暖阳◎ 2022-04-10 04:53 158阅读 0赞

## 简介 ##

Redis 是使用非常广泛的 Key-Value 内存数据库。因为数据都存放在内存中，所以存取速度非常快。不过，很多情况下我们需要将 Redis 中的数据保存到硬盘中以便做备份。Redis 提供了两种数据持久化方式，分别是 RDB 和 AOP，本文分析这两种方式的使用以及过期键对持久化的影响。

## RDB ##

RDB 指的是将 Redis 数据库在某个时间点的快照保存到磁盘，所生成的 RDB 文件是一个经过压缩的二进制文件，通过这个文件可以还原出 Redis 的数据状态。

创建快照的方式有以下几种：

*  客户端向 Redis 发送 `BGSAVE` 命令，Redis 会调用 fork 创建一个子进程，然后子进程负责将快照写入硬盘，而父进程继续处理命令请求。
 *  客户端向 Redis 发送 `SAVE` 命令，此时 Redis 将开始创建快照，并且在完成之前不再响应其它命令。
 *  用户设置 save 配置选项，比如 `save 60 10000`，那么从 Redis 最近一次创建快照算起，当 “60 秒内有 10000 次写入” 这个条件被满足时， Redis 就会自动触发 `BGSAVE` 命令。如果用户设置了多个 save 配置选项，那么当任意一个 save 配置满足时，Redis 就会触发一次 `BGSAVE` 命令。save 配置的格式如下所示：

save 60 10000
    stop-writes-on-bgsave-error no
    rdbcompression yes    // 使用压缩
    dbfilename dump.rdb  // RBD 文件的名字
    
    dir ./

*  当 Redis 通过 `SHUTDOWN` 命令接收到关闭服务器的请求时，或者接收到 TERM命令时，会执行一个 `SAVE` 命令，并且阻塞所有的客户端，不再执行任何请求。在 `SAVE` 命令执行结束后关闭服务器。
 *  当一个 Redis 服务器连接另一个 Redis 服务器，并向对方发送 `SYNC` 命令来开始一次复制操作的时候，如果主服务器没有在执行 `BGSAVE` 操作，或者主服务器并非刚执行完 `BGSAVE`，那么主服务器会执行 `BGSAVE` 命令。

RDB 的主要问题是，如果系统发生崩溃，那么最近一次执行完快照后修改的数据将被丢失。因此，RDB 适合用于即使丢失一部分数据也不会造成影响的应用程序。

## AOF ##

AOF 指的是将所有执行的写命令写到 AOF 文件的末尾，以此来记录数据发生的变化。如果 Redis 想要恢复 AOF 中的数据，只要重新执行一次 AOF 文件中所包含的写命令就可以。

AOF 的配置如下所示：

appendonly yes  // 打开 aof
    appendfsync everysec // aof 同步的频率
    no-appendfsync-on-rewrite no
    auto-aof-rewrite-percentage 100 // 文件大小增长比超过这个值开始自动重写 aof
    auto-aof-rewrite-min-size 64mb  // 文件大小超过这个值才可以有可能自动重写 aof

上面的配置中，`appendfsync everysec` 设置的是同步的频率。应用程序在向硬盘写入数据的时候有 3 个步骤：

1.  调用 `file.write()` 向文件写入，此时需要写入的内容被存储到了缓冲区，并不是真正写到硬盘上了。
2.  操作系统在某个时候将缓冲区的内容写入硬盘，这时数据才真正被持久化了。

操作系统使用以上的文件写入方式是为了提高性能，毕竟硬盘 I/O 操作是比较耗时的。但是，这种方式的缺点在于如果机器崩溃了那么缓冲区的内容将丢失。程序可以使用 `file.flush()` 来请求操作系统尽快地将缓冲区的内容刷新到硬盘上，不过何时开始执行仍然由操作系统决定。程序也可以命令操作系统将文件同步 ( sync ) 到硬盘，同步操作会阻塞应用程序直到数据被写入硬盘。当同步操作完成后，即使系统出现故障，也不会对被同步的文件造成影响。

对于 Redis 来讲，可以指定 `appendfsync` 以何种方式让数据完全同步到硬盘，这个配置有 3 个选项：

1.  always： 每个 Redis 写命令都立即同步到硬盘，这是比较消耗性能的
2.  everysec： 每秒执行一次同步，兼顾性能与数据安全，是比较常用的选项
3.  no： 让操作系统决定何时进行同步

`always` 可以使得在 Redis 发生崩溃时丢失的数据最少，但是也是最消耗性能的，导致 Redis 的处理速度变慢。`ererysec` 是一种兼顾性能与数据安全的方式，在这种情况下，如果系统崩溃，用户最多会丢失一秒内的数据。`no` 选项完全将同步交给操作系统被决定，性能也不比 `everysec` 高多少，是不推荐的方式。

AOF 的缺点是随着 Redis 的不断运行，AOF 文件可能会非常大，甚至用完硬盘的空间。解决这个问题的办法是 AOF 重写。

### 重写 ###

客户端可以发送 `BGREWRITEAOF` 命令让 Redis 重写 AOF 文件，Redis 会移除冗余的 AOF 命令进行重写，使得 AOF 文件的体积尽可能地小。

除了客户端主动发送 `BGREWRITEAOF` 命令，也可以使用配置让 Redis 在满足一定条件地情况下自动开始重写 AOF 文件。例如上一小节设置了 `auto-aof-rewrite-percentage 100` 和 `auto-aof-rewrite-min-size 64mb`。这两个配置的含义是，如果 AOF 文件大于 64MB 并且比上一次重写之后的大小增加了一倍的时候，Redis 将执行 `BGREWERITEAOF` 命令。

## 过期键删除 ##

用户往往为 Redis 中的键设定过期时间，因此需要一定的策略来删除过期键，可以有三种策略：

1.  定时删除，即通过定时器在过期时间到达的时候删除过期的键。这种方式的优点是节省内存，不会因为大量的过期键占用内存资源，而缺点则是消耗 CPU 资源，尤其是过期键数量较多的时候，删除操作消耗太长时间，降低了 Redis 的响应时间。
2.  惰性删除，即在每次获取某个键的时候判断是否过期，如果未过期，则正常返回其值，否则删除这个键，返回空。这种方式的优点是节省 CPU 资源，但是消耗了内存。尤其是过期键数量较多的时候，大量内存被无效的键占用，相当于内存泄露。
3.  定期删除，即每隔一段时间周期对数据库中的键进行扫描，但是只扫描其中一部分，力求在内存和 CPU 之间达到一个平衡。

从上面 3 种策略可以看出，单用第一个肯定是不行的，Redis 的响应时间至关重要。第二个则是比较好的方式，在获取键的时候判断是否过期并决定是否删除，它的缺点是很多键无法及时删除。如果一个过期键再也没有被访问，那么它将永远留在内存中，而第三种方式正好可以弥补。

Redis 中过期键的删除策略正是惰性删除与定期删除的结合。

## 过期键与持久化 ##

了解了过期键的删除策略后，下面看下键的过期时间对持久化的影响。

在生成 RDB 文件的过程中，如果一个键已经过期，那么其不会被保存到 RDB 文件中。在载入 RDB 的时候，要分两种情况：

1.  如果 Redis 以主服务器的模式运行，那么会对 RDB 中的键进行时间检查，过期的键不会被恢复到 Redis 中。
2.  如果 Redis 以从服务器的模式运行，那么 RDB 中所有的键都会被载入，忽略时间检查。在从服务器与主服务器进行数据同步的时候，从服务器的数据会先被清空，所以载入过期键不会有问题。

对于 AOF 来说，如果一个键过期了，那么不会立刻对 AOF 文件造成影响。因为 Redis 使用的是**惰性删除和定期删除**，只有这个键被删除了，才会往 AOF 文件中追加一条 DEL 命令。在重写 AOF 的过程中，程序会检查数据库中的键，已经过期的键不会被保存到 AOF 文件中。

在运行过程中，对于主从复制的 Redis，主服务器和从服务器对于过期键的处理也不相同：

1.  对于主服务器，一个过期的键被删除了后，会向从服务器发送 DEL 命令，通知从服务器删除对应的键
2.  从服务器接收到读取一个键的命令时，即使这个键已经过期，也不会删除，而是照常处理这个命令。
3.  从服务器接收到主服务器的 DEL 命令后，才会删除对应的过期键。

这么做的主要目的是保证数据一致性，所以当一个过期键存在于主服务器时，也必然存在于从服务器。

## 总结 ##

本文对 Redis 的两种持久化方式进行了简要的梳理，分析了 Redis 删除过期键的策略以及对持久化的影响。理解了这部分内容不仅可以让我们对 Redis 的使用更加得心应手，对于学习 Redis 的其它内容如复制的过程也会很有帮助。

**参考**

*  《Redis 实战》
 *  《Redis 设计与实现》

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来源：[https://segmentfault.com/a/1190000017526315][https_segmentfault.com_a_1190000017526315]

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