本文內(nèi)容來源于Redis作者博文，Redis作者說，他看到的所有針對Redis的討論中，對Redis持久化的誤解是最大的，于是他寫了一篇長文來對Redis的持久化進行了系統(tǒng)性的論述。文章非常長，也很值得一看，NoSQLFan將主要內(nèi)容簡述成本文。
什么是持久化，簡單來講就是將數(shù)據(jù)放到斷電后數(shù)據(jù)不會丟失的設(shè)備中。也就是我們通常理解的硬盤上。
寫操作的流程
首先我們來看一下數(shù)據(jù)庫在進行寫操作時到底做了哪些事，主要有下面五個過程。
客戶端向服務(wù)端發(fā)送寫操作（數(shù)據(jù)在客戶端的內(nèi)存中）
數(shù)據(jù)庫服務(wù)端接收到寫請求的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)在服務(wù)端的內(nèi)存中）
服務(wù)端調(diào)用write(2) 這個系統(tǒng)調(diào)用，將數(shù)據(jù)往磁盤上寫（數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)存的緩沖區(qū)中）
操作系統(tǒng)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到磁盤控制器上（數(shù)據(jù)在磁盤緩存中）
磁盤控制器將數(shù)據(jù)寫到磁盤的物理介質(zhì)中（數(shù)據(jù)真正落到磁盤上）
故障分析
寫操作大致有上面5個流程，下面我們結(jié)合上面的5個流程看一下各種級別的故障。
當數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)故障時，這時候系統(tǒng)內(nèi)核還是OK的，那么此時只要我們執(zhí)行完了第3步，那么數(shù)據(jù)就是安全的，因為后續(xù)操作系統(tǒng)會來完成后面幾步，保證數(shù)據(jù)最終會落到磁盤上。
當系統(tǒng)斷電，這時候上面5項中提到的所有緩存都會失效，并且數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)都會停止工作。所以只有當數(shù)據(jù)在完成第5步后，機器斷電才能保證數(shù)據(jù)不丟失，在上述四步中的數(shù)據(jù)都會丟失。
通過上面5步的了解，可能我們會希望搞清下面一些問題：
數(shù)據(jù)庫多長時間調(diào)用一次write(2)，將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)核緩沖區(qū)
內(nèi)核多長時間會將系統(tǒng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫到磁盤控制器
磁盤控制器又在什么時候把緩存中的數(shù)據(jù)寫到物理介質(zhì)上
對于第一個問題，通常數(shù)據(jù)庫層面會進行全面控制。而對第二個問題，操作系統(tǒng)有其默認的策略，但是我們也可以通過POSIX API提供的fsync系列命令強制操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核區(qū)寫到磁盤控制器上。對于第三個問題，好像數(shù)據(jù)庫已經(jīng)無法觸及，但實際上，大多數(shù)情況下磁盤緩存是被設(shè)置關(guān)閉的?；蛘呤侵婚_啟為讀緩存，也就是寫操作不會進行緩存，直接寫到磁盤。建議的做法是僅僅當你的磁盤設(shè)備有備用電池時才開啟寫緩存。
數(shù)據(jù)損壞
所謂數(shù)據(jù)損壞，就是數(shù)據(jù)無法恢復，上面我們講的都是如何保證數(shù)據(jù)是確實寫到磁盤上去，但是寫到磁盤上可能并不意味著數(shù)據(jù)不會損壞。比如我們可能一次寫請求會進行兩次不同的寫操作，當意外發(fā)生時，可能會導致一次寫操作安全完成，但是另一次還沒有進行。如果數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)組織不合理，可能就會導致數(shù)據(jù)完全不能恢復的狀況出現(xiàn)。
這里通常也有三種策略來組織數(shù)據(jù)，以防止數(shù)據(jù)文件損壞到無法恢復的情況：
第一種是最粗糙的處理，就是不通過數(shù)據(jù)的組織形式保證數(shù)據(jù)的可恢復性。而是通過配置數(shù)據(jù)同步備份的方式，在數(shù)據(jù)文件損壞后通過數(shù)據(jù)備份來進行恢復。實際上MongoDB在不開啟journaling日志，通過配置Replica Sets時就是這種情況。
另一種是在上面基礎(chǔ)上添加一個操作日志，每次操作時記一下操作的行為，這樣我們可以通過操作日志來進行數(shù)據(jù)恢復。因為操作日志是順序追加的方式寫的，所以不會出現(xiàn)操作日志也無法恢復的情況。這也類似于MongoDB開啟了journaling日志的情況。
更保險的做法是數(shù)據(jù)庫不進行老數(shù)據(jù)的修改，只是以追加方式去完成寫操作，這樣數(shù)據(jù)本身就是一份日志，這樣就永遠不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法恢復的情況了。實際上CouchDB就是此做法的優(yōu)秀范例。
RDB快照
下面我們說一下Redis的第一個持久化策略，RDB快照。Redis支持將當前數(shù)據(jù)的快照存成一個數(shù)據(jù)文件的持久化機制。而一個持續(xù)寫入的數(shù)據(jù)庫如何生成快照呢。Redis借助了fork命令的copy on write機制。在生成快照時，將當前進程fork出一個子進程，然后在子進程中循環(huán)所有的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫成為RDB文件。
我們可以通過Redis的save指令來配置RDB快照生成的時機，比如你可以配置當10分鐘以內(nèi)有100次寫入就生成快照，也可以配置當1小時內(nèi)有 1000次寫入就生成快照，也可以多個規(guī)則一起實施。這些規(guī)則的定義就在Redis的配置文件中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis運行時設(shè)置規(guī)則，不需要重啟Redis。
Redis的RDB文件不會壞掉，因為其寫操作是在一個新進程中進行的，當生成一個新的RDB文件時，Redis生成的子進程會先將數(shù)據(jù)寫到一個臨時文件中，然后通過原子性rename系統(tǒng)調(diào)用將臨時文件重命名為RDB文件，這樣在任何時候出現(xiàn)故障，Redis的RDB文件都總是可用的。
同時，Redis的RDB文件也是Redis主從同步內(nèi)部實現(xiàn)中的一環(huán)。
但是，我們可以很明顯的看到，RDB有他的不足，就是一旦數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)問題，那么我們的RDB文件中保存的數(shù)據(jù)并不是全新的，從上次RDB文件生成到 Redis停機這段時間的數(shù)據(jù)全部丟掉了。在某些業(yè)務(wù)下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業(yè)務(wù)使用RDB的方式進行持久化，因為開啟RDB的代價并不高。但是對于另外一些對數(shù)據(jù)安全性要求極高的應(yīng)用，無法容忍數(shù)據(jù)丟失的應(yīng)用，RDB就無能為力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機制：AOF日志。
AOF日志
aof日志的全稱是append only file，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的日志文件。與一般數(shù)據(jù)庫的binlog不同的是，AOF文件是可識別的純文本，它的內(nèi)容就是一個個的Redis標準命令。比如我們進行如下實驗，使用Redis2.6版本，在啟動命令參數(shù)中設(shè)置開啟aof功能：
./redis-server --appendonly yes
然后我們執(zhí)行如下的命令：
redis 127.0.0.1:6379> set key1 Hello
OK
redis 127.0.0.1:6379> append key1 " World!"
(integer) 12
redis 127.0.0.1:6379> del key1
(integer) 1
redis 127.0.0.1:6379> del non_existing_key
(integer) 0
這時我們查看AOF日志文件，就會得到如下內(nèi)容：
cat appendonly.aof
*2
6
SELECT
1
0
*3
3
set
4
key1
5
Hello
*3
6
append
4
key1
7
World!
*2
3
del
4
key1
可以看到，寫操作都生成了一條相應(yīng)的命令作為日志。其中值得注意的是最后一個del命令，它并沒有被記錄在AOF日志中，這是因為Redis判斷出這個命令不會對當前數(shù)據(jù)集做出修改。所以不需要記錄這個無用的寫命令。另外AOF日志也不是完全按客戶端的請求來生成日志的，比如命令I(lǐng)NCRBYFLOAT在記AOF日志時就被記成一條SET記錄，因為浮點數(shù)操作可能在不同的系統(tǒng)上會不同，所以為了避免同一份日志在不同的系統(tǒng)上生成不同的數(shù)據(jù)集，所以這里只將操作后的結(jié)果通過SET來記錄。
AOF重寫
你可以會想，每一條寫命令都生成一條日志，那么AOF文件是不是會很大？答案是肯定的，AOF文件會越來越大，所以Redis又提供了一個功能，叫做 AOF rewrite。其功能就是重新生成一份AOF文件，新的AOF文件中一條記錄的操作只會有一次，而不像一份老文件那樣，可能記錄了對同一個值的多次操作。其生成過程和RDB類似，也是fork一個進程，直接遍歷數(shù)據(jù)，寫入新的AOF臨時文件。在寫入新文件的過程中，所有的寫操作日志還是會寫到原來老的 AOF文件中，同時還會記錄在內(nèi)存緩沖區(qū)中。當重完操作完成后，會將所有緩沖區(qū)中的日志一次性寫入到臨時文件中。然后調(diào)用原子性的rename命令用新的 AOF文件取代老的AOF文件。
從上面的流程我們能夠看到，RDB和AOF操作都是順序IO操作，性能都很高。而同時在通過RDB文件或者AOF日志進行數(shù)據(jù)庫恢復的時候，也是順序的讀取數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中。所以也不會造成磁盤的隨機讀。
AOF可靠性設(shè)置
AOF是一個寫文件操作，其目的是將操作日志寫到磁盤上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那么寫AOF的操作安全性又有多高呢。實際上這是可以設(shè)置的，在Redis中對AOF調(diào)用write(2)寫入后，何時再調(diào)用fsync將其寫到磁盤上，通過appendfsync選項來控制，下面appendfsync的三個設(shè)置項，安全強度逐漸變強。
appendfsync?no
當設(shè)置appendfsync為no的時候，Redis不會主動調(diào)用fsync去將AOF日志內(nèi)容同步到磁盤，所以這一切就完全依賴于操作系統(tǒng)的調(diào)試了。對大多數(shù)Linux操作系統(tǒng)，是每30秒進行一次fsync，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫到磁盤上。
appendfsync everysec
當設(shè)置appendfsync為everysec的時候，Redis會默認每隔一秒進行一次fsync調(diào)用，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫到磁盤。但是當這一次的 fsync調(diào)用時長超過1秒時。Redis會采取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒后再進行fsync，這一次的fsync就不管會執(zhí)行多長時間都會進行。這時候由于在fsync時文件描述符會被阻塞，所以當前的寫操作就會阻塞。
所以，結(jié)論就是，在絕大多數(shù)情況下，Redis會每隔一秒進行一次fsync。在最壞的情況下，兩秒鐘會進行一次fsync操作。
這一操作在大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中被稱為group commit，就是組合多次寫操作的數(shù)據(jù)，一次性將日志寫到磁盤。
appednfsync always
當設(shè)置appendfsync為always時，每一次寫操作都會調(diào)用一次fsync，這時數(shù)據(jù)是最安全的，當然，由于每次都會執(zhí)行fsync，所以其性能也會受到影響。
對于pipelining有什么不同
對于pipelining的操作，其具體過程是客戶端一次性發(fā)送N個命令，然后等待這N個命令的返回結(jié)果被一起返回。通過采用pipilining就意味著放棄了對每一個命令的返回值確認。由于在這種情況下，N個命令是在同一個執(zhí)行過程中執(zhí)行的。所以當設(shè)置appendfsync為everysec時，可能會有一些偏差，因為這N個命令可能執(zhí)行時間超過1秒甚至2秒。但是可以保證的是，最長時間不會超過這N個命令的執(zhí)行時間和。
與postgreSQL和MySQL的比較
這一塊就不多說了，由于上面操作系統(tǒng)層面的數(shù)據(jù)安全已經(jīng)講了很多，所以其實不同的數(shù)據(jù)庫在實現(xiàn)上都大同小異?？傊詈蟮慕Y(jié)論就是，在Redis開啟AOF的情況下，其單機數(shù)據(jù)安全性并不比這些成熟的SQL數(shù)據(jù)庫弱。
數(shù)據(jù)導入
這些持久化的數(shù)據(jù)有什么用，當然是用于重啟后的數(shù)據(jù)恢復。Redis是一個內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，無論是RDB還是AOF，都只是其保證數(shù)據(jù)恢復的措施。所以 Redis在利用RDB和AOF進行恢復的時候，都會讀取RDB或AOF文件，重新加載到內(nèi)存中。相對于MySQL等數(shù)據(jù)庫的啟動時間來說，會長很多，因為MySQL本來是不需要將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中的。
但是相對來說，MySQL啟動后提供服務(wù)時，其被訪問的熱數(shù)據(jù)也會慢慢加載到內(nèi)存中，通常我們稱之為預熱，而在預熱完成前，其性能都不會太高。而Redis的好處是一次性將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，一次性預熱。這樣只要Redis啟動完成，那么其提供服務(wù)的速度都是非?？斓?。
而在利用RDB和利用AOF啟動上，其啟動時間有一些差別。RDB的啟動時間會更短，原因有兩個，一是RDB文件中每一條數(shù)據(jù)只有一條記錄，不會像AOF 日志那樣可能有一條數(shù)據(jù)的多次操作記錄。所以每條數(shù)據(jù)只需要寫一次就行了。另一個原因是RDB文件的存儲格式和Redis數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的編碼格式是一致的，不需要再進行數(shù)據(jù)編碼工作。在CPU消耗上要遠小于AOF日志的加載。
好了，大概內(nèi)容就說到這里。更詳細完整的版本請看Redis作者的博文：Redis persistence demystified。本文如有描述不周之處，就大家指正。
