【基础篇】内存快照：宕机后，Redis如何实现快速恢复？

背景

之前，我们学习了 Redis 避免数据丢失的 AOF 方法。这个方法的好处，是每次执行只需要记录操作命令，需要持久化的数据量不大。一般而言，只要你采用的不是 always 的持久化策略，就不会对性能造成太大影响。

但是，也正因为记录的是操作命令，而不是实际的数据，所以，用 AOF 方法进行故障恢复的时候，需要逐一把操作日志都执行一遍。如果操作日志非常多，Redis 就会恢复得很缓慢，影响到正常使用。这当然不是理想的结果。那么，还有没有既可以保证可靠性，还能在宕机时实现快速恢复的其他方法呢？

当然有了，这就是我们今天要一起学习的另一种持久化方法：内存快照。所谓内存快照，就是指内存中的数据在某一个时刻的状态记录。这就类似于照片，当你给朋友拍照时，一张照片就能把朋友一瞬间的形象完全记下来。

对 Redis 来说，它实现类似照片记录效果的方式，就是把某一时刻的状态以文件的形式写到磁盘上，也就是快照。这样一来，即使宕机，快照文件也不会丢失，数据的可靠性也就得到了保证。这个快照文件就称为 RDB 文件，其中，RDB 就是 Redis DataBase 的缩写。

和 AOF 相比，RDB 记录的是某一时刻的数据，并不是操作，所以，在做数据恢复时，我们可以直接把 RDB 文件读入内存，很快地完成恢复。听起来好像很不错，但内存快照也并不是最优选项。为什么这么说呢？

我们还要考虑两个关键问题：

• 对哪些数据做快照？这关系到快照的执行效率问题；
• 做快照时，数据还能被增删改吗？这关系到 Redis 是否被阻塞，能否同时正常处理请求。

给哪些内存数据做快照？

Redis 的数据都在内存中，为了提供所有数据的可靠性保证，它执行的是全量快照，也就是说，把内存中的所有数据都记录到磁盘中。给内存的全量数据做快照，把它们全部写入磁盘也会花费很多时间。而且，全量数据越多，RDB 文件就越大，往磁盘上写数据的时间开销就越大。

对于 Redis 而言，它的单线程模型就决定了，我们要尽量避免所有会阻塞主线程的操作，所以，针对任何操作，我们都会提一个灵魂之问：“它会阻塞主线程吗?”RDB 文件的生成是否会阻塞主线程，这就关系到是否会降低 Redis 的性能。

Redis 提供了两个命令来生成 RDB 文件，分别是 save 和 bgsave。

• save：在主线程中执行，会导致阻塞；
• bgsave：创建一个子进程，专门用于写入 RDB 文件，避免了主线程的阻塞，这也是 Redis RDB 文件生成的默认配置。

好了，这个时候，我们就可以通过 bgsave 命令来执行全量快照，这既提供了数据的可靠性保证，也避免了对 Redis 的性能影响。

接下来，我们要关注的问题就是，在对内存数据做快照时，这些数据还能“动”吗? 也就是说，这些数据还能被修改吗？ 这个问题非常重要，这是因为，如果数据能被修改，那就意味着 Redis 还能正常处理写操作。否则，所有写操作都得等到快照完了才能执行，性能一下子就降低了。

快照时数据能修改吗?

你可能会想到，可以用 bgsave 避免阻塞。这里我就要说到一个常见的误区了，避免阻塞和正常处理写操作并不是一回事。此时，主线程的确没有阻塞，可以正常接收请求，但是，为了保证快照完整性，它只能处理读操作，因为不能修改正在执行快照的数据。

为了快照而暂停写操作，肯定是不能接受的。所以这个时候，Redis 就会借助操作系统提供的写时复制技术（Copy-On-Write, COW），在执行快照的同时，正常处理写操作。

简单来说，bgsave 子进程是由主线程 fork 生成的，可以共享主线程的所有内存数据。bgsave 子进程运行后，开始读取主线程的内存数据，并把它们写入 RDB 文件。

此时，如果主线程对这些数据也都是读操作（例如图中的键值对 A），那么，主线程和 bgsave 子进程相互不影响。但是，如果主线程要修改一块数据（例如图中的键值对 C），那么，这块数据就会被复制一份，生成该数据的副本（键值对 C’）。然后，主线程在这个数据副本上进行修改。同时，bgsave 子进程可以继续把原来的数据（键值对 C）写入 RDB 文件。

这既保证了快照的完整性，也允许主线程同时对数据进行修改，避免了对正常业务的影响。到这里，我们就解决了对“哪些数据做快照”以及“做快照时数据能否修改”这两大问题：Redis 会使用 bgsave 对当前内存中的所有数据做快照，这个操作是子进程在后台完成的，这就允许主线程同时可以修改数据。

可以每秒做一次快照吗？

对于快照来说，所谓“连拍”就是指连续地做快照。这样一来，快照的间隔时间变得很短，即使某一时刻发生宕机了，因为上一时刻快照刚执行，丢失的数据也不会太多。但是，这其中的快照间隔时间就很关键了。

如下图所示，我们先在 T0 时刻做了一次快照，然后又在 T0+t 时刻做了一次快照，在这期间，数据块 5 和 9 被修改了。如果在 t 这段时间内，机器宕机了，那么，只能按照 T0 时刻的快照进行恢复。此时，数据块 5 和 9 的修改值因为没有快照记录，就无法恢复了。
所以，要想尽可能恢复数据，t 值就要尽可能小，t 越小，就越像“连拍”。那么，t 值可以小到什么程度呢，比如说是不是可以每秒做一次快照？毕竟，每次快照都是由 bgsave 子进程在后台执行，也不会阻塞主线程。

这种想法其实是错误的。虽然 bgsave 执行时不阻塞主线程，但是，如果频繁地执行全量快照，也会带来两方面的开销。

一方面，频繁将全量数据写入磁盘，会给磁盘带来很大压力，多个快照竞争有限的磁盘带宽，前一个快照还没有做完，后一个又开始做了，容易造成恶性循环。

另一方面，bgsave 子进程需要通过 fork 操作从主线程创建出来。虽然，子进程在创建后不会再阻塞主线程，但是，fork 这个创建过程本身会阻塞主线程，而且主线程的内存越大，阻塞时间越长。如果频繁 fork 出 bgsave 子进程，这就会频繁阻塞主线程了（所以，在 Redis 中如果有一个 bgsave 在运行，就不会再启动第二个 bgsave 子进程）。

增量快照

此时，我们可以做增量快照，所谓增量快照，就是指，做了一次全量快照后，后续的快照只对修改的数据进行快照记录，这样可以避免每次全量快照的开销。

在第一次做完全量快照后，T1 和 T2 时刻如果再做快照，我们只需要将被修改的数据写入快照文件就行。但是，这么做的前提是，我们需要记住哪些数据被修改了。这会带来额外的空间开销问题。如下图所示：

如果我们对每一个键值对的修改，都做个记录，那么，如果有 1 万个被修改的键值对，我们就需要有 1 万条额外的记录。而且，有的时候，键值对非常小，比如只有 32 字节，而记录它被修改的元数据信息，可能就需要 8 字节，这样的画，为了“记住”修改，引入的额外空间开销比较大。这对于内存资源宝贵的 Redis 来说，有些得不偿失。

到这里，你可以发现，虽然跟 AOF 相比，快照的恢复速度快，但是，快照的频率不好把握，如果频率太低，两次快照间一旦宕机，就可能有比较多的数据丢失。如果频率太高，又会产生额外开销，那么，还有什么方法既能利用 RDB 的快速恢复，又能以较小的开销做到尽量少丢数据呢？

混用 AOF 和 RDB

Redis 4.0 中提出了一个混合使用 AOF 日志和内存快照的方法。简单来说，内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，使用 AOF 日志记录这期间的所有命令操作。

这样一来，快照不用很频繁地执行，这就避免了频繁 fork 对主线程的影响。而且，AOF 日志也只用记录两次快照间的操作，也就是说，不需要记录所有操作了，因此，就不会出现文件过大的情况了，也可以避免重写开销。

如下图所示，T1 和 T2 时刻的修改，用 AOF 日志记录，等到第二次做全量快照时，就可以清空 AOF 日志，因为此时的修改都已经记录到快照中了，恢复时就不再用日志了。

这个方法既能享受到 RDB 文件快速恢复的好处，又能享受到 AOF 只记录操作命令的简单优势，颇有点“鱼和熊掌可以兼得”的感觉，建议你在实践中用起来。

小结

这篇文章，我们学习了 Redis 用于避免数据丢失的内存快照方法。这个方法的优势在于，可以快速恢复数据库，也就是只需要把 RDB 文件直接读入内存，这就避免了 AOF 需要顺序、逐一重新执行操作命令带来的低效性能问题。

不过，内存快照也有它的局限性。它拍的是一张内存的“大合影”，不可避免地会耗时耗力。虽然，Redis 设计了 bgsave 和写时复制方式，尽可能减少了内存快照对正常读写的影响，但是，频繁快照仍然是不太能接受的。

而混合使用 RDB 和 AOF，正好可以取两者之长，避两者之短，以较小的性能开销保证数据可靠性和性能。最后，关于 AOF 和 RDB 的选择问题，我想再给你提三点建议：

• 数据不能丢失时，内存快照和 AOF 的混合使用是一个很好的选择；
• 如果允许分钟级别的数据丢失，可以只使用 RDB；
• 如果只用 AOF，优先使用 everysec 的配置选项，因为它在可靠性和性能之间取了一个平衡。

每课一问

一个场景：我们使用一个 2 核 CPU、4GB 内存、500GB 磁盘的云主机运行 Redis，Redis 数据库的数据量大小差不多是 2GB，我们使用了 RDB 做持久化保证。当时 Redis 的运行负载以修改操作为主，写读比例差不多在 8:2 左右，也就是说，如果有 100 个请求，80 个请求执行的是修改操作。你觉得，在这个场景下，用 RDB 做持久化有什么风险吗？你能帮着一起分析分析吗？

内存不足的风险： Redis fork 一个 bgsave 子进程进行 RDB 写入，如果主线程再接收到写操作，就会采用写时复制。写时复制需要给写操作的数据分配新的内存空间。本问题中写的比例为 80%，那么，在持久化过程中，为了保存 80% 写操作涉及的数据，写时复制机制会在实例内存中，为这些数据再分配新内存空间，分配的内存量相当于整个实例数据量的 80%，大约是 1.6GB，这样一来，整个系统内存的使用量就接近饱和了。此时，如果实例还有大量的新 key 写入或 key 修改，云主机内存很快就会被吃光。如果云主机开启了 Swap 机制，就会有一部分数据被换到磁盘上，当访问磁盘上的这部分数据时，性能会急剧下降。如果云主机没有开启 Swap，会直接触发 OOM，整个 Redis 实例会面临被系统 kill 掉的风险。

主线程和子进程竞争使用 CPU 的风险： 生成 RDB 的子进程需要 CPU 核运行，主线程本身也需要 CPU 核运行，而且，如果 Redis 还启用了后台线程，此时，主线程、子进程和后台线程都会竞争 CPU 资源。由于云主机只有 2 核 CPU，这就会影响到主线程处理请求的速度。