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04_AOF日志：宕机了，Redis 如何避免数据丢失

logycoconut2024年2月29日大约 7 分钟Redis 核心技术与实战Redis

目前，Redis 的持久化主要有两大机制，即 AOF 日志（Append Only File） 和 RDB 快照

AOF 日志是如何实现的？

说到日志，我们比较熟悉的是数据库的写前日志（WAL，Write Ahead Log），也就是说，在实际写数据前，先把修改的数据记到日志文件中，以便故障时进行恢复
不过，AOF 日志正好相反，它是写后日志，即 Redis 先执行命令，把数据写入内存，然后才记录日志

那么，为什么 AOF 要先执行命令再记日志呢？首先我们先来看看 AOF 里记录了什么内容

传统数据库的日志，例如 redo log（重做日志），记录的是修改后的数据，而 AOF 里面记录的是 Redis 收到的每一条命令，这些命令是以文本形式保存的

我们以 Redis 收到 "set testkey testvalue" 命令后记录的日志为例，看看 AOF 日志的内容
其中，*3 表示当前命令有三个部分，每部分都是由 $+数字 开头，后面紧跟着具体的命令、键或值
数字表示这部分中的命令、键、值一共有多少字节

Redis AOF日志内容
Redis AOF日志内容

但是，为了避免额外的检查开销，Redis 在向 AOF 里面记录日志的时候，并不会先去对这些命令进行语法检查。所以，如果先记日志再执行命令的话，日志中就有可能记录了错误的命令，Redis 在使用日志恢复数据时，就可能会出错

而后写日志这种方式，就是先让系统执行命令，只有命令能执行成功，才会被记录到日志中，否则，系统就会直接向客户端报错。所以，Redis 使用后写日志这一方式的一大好处是，可以避免出现记录错误命令的情况

除此之外，AOF 还有一个好处，它是在命令执行后才记录日志，所以不会阻塞当前的写操作

但是 AOF 也有两个潜在的风险

  • 如果刚执行完一个命令，还没有来得及记日志就宕机了，那么这个命令和相应的数据就有丢失的风险
    如果此时 Redis 是用作缓存，还可以从后端数据库重新读入数据进行恢复，但是，如果 Redis 是直接用作数据库的话，此时，因为命令没有记入日志，所以就无法用日志进行恢复了
  • AOF 虽然避免了对当前命令的阻塞，但可能会给下一个操作带来阻塞风险
    因为 AOF 日志也是都主线程执行的，如果在把日志文件写入磁盘时，磁盘写压力大，就会导致写盘很慢，进而导致后续的操作也无法执行了
    仔细分析的话，这两个风险都是和 AOF 写回磁盘的实际相关的
    这意味着如果我们能够控制一个写命令执行完后 AOF 日志写回磁盘的时机，这两个风险就解除了

三种写回策略

AOF 机制给了我们三个选择，也就是 AOF 配置项 appendfsync 的三个可选项

  • Always：同步写回，每个写命令执行完，立马同步地将日志写回磁盘
  • Everysec：每秒写回，每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，每隔一秒把缓冲区中的内容写入磁盘
  • No：操作系统控制的写回，每个写命令执行完，只是先把日志写到 AOF 文件的内存缓冲区，由操作系统决定何时将缓冲区内容写回磁盘

针对避免主线程阻塞和减少数据丢失问题，这三种写回策略都无法做到两全其美

到这里，我们就可以根据系统对高性能和高可靠性的要求，来选择使用哪种写回策略了

  • 想要获得高性能，就选择 no 策略
  • 想要得到高可靠性保证，就选择 always 策略
  • 如果允许数据有一点丢失，又希望性能别受太大影响的话，就选择 everysec 策略

但是，按照系统的性能需求选定了写回策略并不是高枕无忧了
随着接收的写命令越来越多，AOF 文件会越来越大，这也意味着，我们一定要小心 AOF 文件过大带来的性能问题

  • 文件系统本身对文件大小有限制，无法保存过大的文件
  • 如果文件过大，之后再往里面追加命令记录的话，效率也会变低
  • 当发生宕机，AOF 中记录的命令要一个个被重新执行，用于故障恢复，如果日志文件太大，整个恢复过程就会非常缓慢

这时候就需要介绍一下 AOF 的重写机制了

日志文件太大了怎么办？

简单来说，AOF 重写机制就是在重写时，Redis 根据数据库的现状创建一个新的 AOF 文件，也就是说，读取数据库中的所有键值对，然后对每一个键值对用一条命令记录它的写入
比如说，当读取了键值对 testkey：testvalue 之后，重写机制会记录 set testkey testvalue 这条命令

为什么重写机制可以把日志文件变小呢？实际上，重写机制具有"多变一"功能，也就是说，旧日志文件的多条命令，在重写后的新日志中变成一条命令

AOF重写减少日志大小
AOF重写减少日志大小

可以看到上图对一个列表先后做了 6 次修改操作，但是最终只用一条命令就能实现该数据的恢复
对于被修改过成百上千次的键值对来说，重写能节省的空间当然就更大了

不过，虽然 AOF 重写后，日志文件会缩小，但是要把整个数据库的最新数据的操作日志都写回磁盘，仍然是一个非常耗时的过程，这时，我们就需要关注另一个问题：重写会不会阻塞主线程？

AOF 重写会阻塞吗？

与 AOF 日志由主线程写回不同，重写过程是由后台子进程 bgrewriteaof 来完成的（这也是为了避免阻塞主线程，导致数据库性能下降）

重写的过程可以总结为"一个拷贝，两处日志"

一个拷贝

每次执行重写时，主线程 fork 出后台的 bgrewriteaof 子进程。此时 fork 会把主线程的内存拷贝一份给 bgrewriteaof 子进程，这里面就包含了数据库的最新数据，然后 bgrewriteaof 子进程就可以在不影响主线程的情况下，逐一把拷贝的数据写成操作，记入重写日志

两处日志

因为主线程未阻塞，仍然可以处理新来的操作。此时，如果有写操作，第一处日志就是指正在使用的 AOF 日志，Redis 会把这个操作写到它的缓冲区。这样一来，即使宕机了，这个 AOF 日志的操作仍然是齐全的，可以用于恢复

而第二处日志，指的是新的 AOF 重写日志
这个操作也会被写到重写日志的缓冲区。这样，重写日志也不会丢失最新的操作。等到拷贝数据的所有操作记录重写完成后，重写日志记录的这些最新操作也会写入新的 AOF 文件，以保证数据库最新状态的记录。此时，就可以用新的 AOF 文件替代旧文件了
AOF非阻塞的重写过程

总结来说，每次 AOF 重写时，Redis 会先执行一个内存拷贝，用于重写；然后使用两个日志保证在重写过程中，新写入的数据不会丢失，而且因为 Redis 采用额外的线程进行数据重写，所以这个过程并不会阻塞主线程