Redis是一種面向“key-value”類型數據的分佈式NoSQL數據庫系統，具有高性能、持久存儲、適應高併發應用場景等優勢。它雖然起步較晚，但發展卻十分迅速。
近日，Redis的作者在博客中寫到，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，於是他寫了一篇長文來對Redis的持久化進行了系統性的論述。文章主要包含三個方面：Redis持久化是如何工作的、這一性能是否可靠以及和其它類型的數據庫比較。以下爲文章內容：
一、Redis持久化是如何工作的？
什麼是持久化？簡單來講就是將數據放到斷電後數據不會丟失的設備中，也就是我們通常理解的硬盤上。首先我們來看一下數據庫在進行寫操作時到底做了哪些事，主要有下面五個過程：
- 客戶端向服務端發送寫操作（數據在客戶端的內存中）。
- 數據庫服務端接收到寫請求的數據（數據在服務端的內存中）。
- 服務端調用write這個系統調用，將數據往磁盤上寫（數據在系統內存的緩衝區中）。
- 操作系統將緩衝區中的數據轉移到磁盤控制器上（數據在磁盤緩存中）。
- 磁盤控制器將數據寫到磁盤的物理介質中（數據真正落到磁盤上）。
故障分析
寫操作大致有上面5個流程，下面我們結合上面的5個流程看一下各種級別的故障：
- 當數據庫系統故障時，這時候系統內核還是完好的。那麼此時只要我們執行完了第3步，那麼數據就是安全的，因爲後續操作系統會來完成後面幾步，保證數據最終會落到磁盤上。
- 當系統斷電時，這時候上面5項中提到的所有緩存都會失效，並且數據庫和操作系統都會停止工作。所以只有當數據在完成第5步後，才能保證在斷電後數據不丟失。
通過上面5步的瞭解，可能我們會希望搞清下面一些問題：
- 數據庫多長時間調用一次write，將數據寫到內核緩衝區？
- 內核多長時間會將系統緩衝區中的數據寫到磁盤控制器？
- 磁盤控制器又在什麼時候把緩存中的數據寫到物理介質上？
對於第一個問題，通常數據庫層面會進行全面控制。而對第二個問題，操作系統有其默認的策略，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將數據從內核區寫到磁盤控制器上。對於第三個問題，好像數據庫已經無法觸及，但實際上，大多數情況下磁盤緩存是被設置關閉的，或者是隻開啓爲讀緩存，也就是說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備有備用電池時纔開啓寫緩存。
數據損壞
所謂數據損壞，就是數據無法恢復，上面我們講的都是如何保證數據是確實寫到磁盤上去，但是寫到磁盤上可能並不意味着數據不會損壞。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。如果數據庫的數據文件結構組織不合理，可能就會導致數據完全不能恢復的狀況出現。
這裏通常也有三種策略來組織數據，以防止數據文件損壞到無法恢復的情況：
- 第一種是最粗糙的處理，就是不通過數據的組織形式保證數據的可恢復性。而是通過配置數據同步備份的方式，在數據文件損壞後通過數據備份來進行恢復。實際上MongoDB在不開啓操作日誌，通過配置Replica Sets時就是這種情況。
- 另一種是在上面基礎上添加一個操作日誌，每次操作時記一下操作的行爲，這樣我們可以通過操作日誌來進行數據恢復。因爲操作日誌是順序追加的方式寫的，所以不會出現操作日誌也無法恢復的情況。這也類似於MongoDB開啓了操作日誌的情況。
- 更保險的做法是數據庫不進行舊數據的修改，只是以追加方式去完成寫操作，這樣數據本身就是一份日誌，這樣就永遠不會出現數據無法恢復的情況了。實際上CouchDB就是此做法的優秀範例。
1、Redis的第一個持久化策略：RDB快照
Redis支持將當前數據的快照存成一個數據文件的持久化機制。而一個持續寫入的數據庫如何生成快照呢。Redis藉助了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，然後在子進程中循環所有的數據，將數據寫成爲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分鐘以內有100次寫入就生成快照，也可以配置當1小時內有1000次寫入就生成快照，也可以多個規則一起實施。這些規則的定義就在Redis的配置文件中，你也可以通過Redis的CONFIG SET命令在Redis運行時設置規則，不需要重啓Redis。
Redis的RDB文件不會壞掉，因爲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據寫到一個臨時文件中，然後通過原子性rename系統調用將臨時文件重命名爲RDB文件，這樣在任何時候出現故障，Redis的RDB文件都總是可用的。
同時，Redis的RDB文件也是Redis主從同步內部實現中的一環。
但是，我們可以很明顯的看到，RDB有它的不足，就是一旦數據庫出現問題，那麼我們的RDB文件中保存的數據並不是全新的，從上次RDB文件生成到 Redis停機這段時間的數據全部丟掉了。在某些業務下，這是可以忍受的，我們也推薦這些業務使用RDB的方式進行持久化，因爲開啓RDB的代價並不高。 但是對於另外一些對數據安全性要求極高的應用，無法容忍數據丟失的應用，RDB就無能爲力了，所以Redis引入了另一個重要的持久化機制：AOF日誌。
2、Redis的第二個持久化策略：AOF日誌
AOF日誌的全稱是Append Only File，從名字上我們就能看出來，它是一個追加寫入的日誌文件。與一般數據庫不同的是，AOF文件是可識別的純文本，它的內容就是一個個的Redis標準命令。比如我們進行如下實驗，使用Redis2.6 版本，在啓動命令參數中設置開啓AOF功能：
- ./redis-server --appendonly yes
然後我們執行如下的命令：
- 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日誌文件，就會得到如下內容：
- $ 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的命令作爲日誌。其中值得注意的是最後一個del命令，它並沒有被記錄在AOF日誌中，這是因爲Redis判斷出 這個命令不會對當前數據集做出修改。所以不需要記錄這個無用的寫命令。另外AOF日誌也不是完全按客戶端的請求來生成日誌的，比如命令 INCRBYFLOAT 在記AOF日誌時就被記成一條SET記錄，因爲浮點數操作可能在不同的系統上會不同，所以爲了避免同一份日誌在不同的系統上生成不同的數據集，所以這裏只將操作後的結果通過SET來記錄。
AOF重寫
你可以會想，每一條寫命令都生成一條日誌，那麼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，直接遍歷數據，寫入新的AOF臨時文件。在寫入新文件的過程中，所有的寫操作日誌還是會寫到原來老的 AOF文件中，同時還會記錄在內存緩衝區中。當重完操作完成後，會將所有緩衝區中的日誌一次性寫入到臨時文件中。然後調用原子性的rename命令用新的 AOF文件取代老的AOF文件。
二、Redis持久化性能是否可靠？
從上面的流程我們能夠看到，RDB是順序IO操作，性能很高。而同時在通過RDB文件進行數據庫恢復的時候，也是順序的讀取數據加載到內存中。所以也不會造成磁盤的隨機讀取錯誤。
而AOF是一個寫文件操作，其目的是將操作日誌寫到磁盤上，所以它也同樣會遇到我們上面說的寫操作的5個流程。那麼寫AOF的操作安全性又有多高呢？實際上這是可以設置的，在Redis中對AOF調用write寫入後，何時再調用fsync將其寫到磁盤上，通過appendfsync選項來控制，下面appendfsync的三個設置項，安全強度逐漸變強。
1、appendfsync no
當設置appendfsync爲no的時候，Redis不會主動調用fsync去將AOF日誌內容同步到磁盤，所以這一切就完全依賴於操作系統的調試了。對大多數Linux操作系統，是每30秒進行一次fsync，將緩衝區中的數據寫到磁盤上。
2、appendfsync everysec
當設置appendfsync爲everysec的時候，Redis會默認每隔一秒進行一次fsync調用，將緩衝區中的數據寫到磁盤。但是當這一 次的fsync調用時長超過1秒時。Redis會採取延遲fsync的策略，再等一秒鐘。也就是在兩秒後再進行fsync，這一次的fsync就不管會執行多長時間都會進行。這時候由於在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，結論就是：在絕大多數情況下，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。
這一操作在大多數數據庫系統中被稱爲group commit，就是組合多次寫操作的數據，一次性將日誌寫到磁盤。
3、appednfsync always
當設置appendfsync爲always時，每一次寫操作都會調用一次fsync，這時數據是最安全的，當然，由於每次都會執行fsync，所以其性能也會受到影響。
對於pipelining有什麼不同？
對於pipelining的操作，其具體過程是客戶端一次性發送N個命令，然後等待這N個命令的返回結果被一起返回。通過採用pipilining 就意味着放棄了對每一個命令的返回值確認。由於在這種情況下，N個命令是在同一個執行過程中執行的。所以當設置appendfsync爲everysec 時，可能會有一些偏差，因爲這N個命令可能執行時間超過1秒甚至2秒。但是可以保證的是，最長時間不會超過這N個命令的執行時間和。
三、和其它數據庫的比較
上面操作系統層面的數據安全我們已經講了很多，其實，不同的數據庫在實現上都大同小異。總之，最後的結論就是，在Redis開啓AOF的情況下，其單機數據安全性並不比這些成熟的SQL數據庫弱。
在數據導入方面的比較
這些持久化的數據有什麼用，當然是用於重啓後的數據恢復。Redis是一個內存數據庫，無論是RDB還是AOF，都只是其保證數據恢復的措施。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，重新加載到內存中。相對於MySQL等數據庫的啓動時間來說，會長很多，因爲MySQL本來是不需要將數據加載到內存中的。
但是相對來說，MySQL啓動後提供服務時，其被訪問的熱數據也會慢慢加載到內存中，通常我們稱之爲預熱，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據加載到內存中，一次性預熱。這樣只要Redis啓動完成，那麼其提供服務的速度都是非常快的。
而在利用RDB和利用AOF啓動上，其啓動時間有一些差別。RDB的啓動時間會更短，原因有兩個，一是RDB文件中每一條數據只有一條記錄，不會像 AOF日誌那樣可能有一條數據的多次操作記錄。所以每條數據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數據在內存中的編碼格式是一致的，不需要再進行數據編碼工作。在CPU消耗上要遠小於AOF日誌的加載。
