RDB快照持久化

1. RDB 概述

RDB（Redis Database）是 Redis 的默认持久化方式，通过在指定时间间隔内对数据集进行快照（snapshot），将内存中的数据以二进制文件形式写入磁盘。生成的 RDB 文件紧凑、体积小，非常适合用于备份和灾难恢复。

RDB 的核心优势：

• 紧凑高效：RDB 文件是经过压缩的二进制格式，体积远小于 AOF 日志
• 恢复速度快：直接加载二进制文件，恢复大数据集的速度远快于 AOF
• 对性能影响小：bgsave 由子进程完成，主进程几乎不受影响
• 适合冷备：可以定期将 RDB 文件归档到远程存储

RDB 的主要不足：

• 数据丢失风险：非实时持久化，两次快照之间的数据可能丢失
• fork 开销：数据集很大时，fork() 子进程可能耗时较长
• 不支持增量：每次都是全量快照，无法记录增量变更

2. save 命令

save 命令以阻塞方式生成 RDB 文件：

SAVE

执行流程：

1. 主进程直接调用 rdbSave() 函数
2. 主进程被阻塞，无法响应任何客户端请求
3. RDB 文件写入完成后，主进程恢复服务

适用场景：

• 数据集很小，阻塞时间可忽略
• 需要确保快照完成的测试环境
• Redis 正在关闭时（shutdown 触发 save）

风险：生产环境中数据集较大时，save 可能导致数秒甚至数十秒的阻塞，严重影响可用性。

3. bgsave 命令

bgsave（Background Save）是生产环境推荐的方式，通过 fork() 子进程完成快照：

BGSAVE

执行流程：

1. 主进程调用 fork() 创建子进程
2. 子进程调用 rdbSave() 将数据写入临时 RDB 文件
3. 写入完成后，子进程将临时文件原子性地重命名为正式 RDB 文件
4. 子进程退出，主进程收到信号

主进程 ──fork()──> 子进程
  │                    │
  │ 继续处理请求        │ rdbSave()
  │                    │ 写入临时文件
  │                    │ rename()
  │<──SIGCHLD──────── │ 退出
  │
  └── 更新 rdb_save_time_last

查看 bgsave 状态：

LASTSAVE          # 返回最近一次成功保存的 Unix 时间戳
INFO Persistence   # 查看 rdb 相关统计信息

bgsave 期间的保护机制：

• bgsave 执行期间，再次调用 bgsave 会被拒绝（ERR Background save already in progress）
• save 命令同样会被拒绝，避免产生竞争条件

4. 写时复制（Copy-On-Write）

写时复制（COW）是 bgsave 能够在不阻塞主进程的情况下生成一致性快照的关键机制。

4.1 fork 与内存共享

fork() 创建子进程后，父子进程共享同一块物理内存页。此时内存消耗并不会翻倍，因为页表指向相同的物理帧。

4.2 COW 触发条件

当主进程尝试修改某个共享页时：

1. 内核检测到该页被标记为只读（共享页）
2. 触发缺页异常（Page Fault）
3. 内核复制该页的副本给主进程
4. 主进程在副本上执行修改
5. 子进程仍然读取原始页的数据

fork() 后：
  父进程页表 → 物理页 A (只读)
  子进程页表 → 物理页 A (只读)

父进程修改页 A：
  父进程页表 → 物理页 A' (可写) ← 新副本
  子进程页表 → 物理页 A  (只读) ← 原始数据

4.3 内存开销估算

COW 的额外内存开销取决于 bgsave 期间被修改的页面数量：

$\text{COW 额外内存}\approx \text{修改页数}\times \text{页大小}$

Linux 默认页大小为 4KB。假设 bgsave 耗时 5 秒，每秒写入 10 万个 key，每个 key 平均 100 字节：

$\text{修改页数}\approx \frac{5\times 100000\times 100}{4096}\approx 12207\text{ 页}$

$\text{COW 额外内存}\approx 12207\times 4\text{KB}\approx 48\text{MB}$

生产建议：预留 Redis 实例内存的 20%~50% 作为 COW 缓冲。

5. 自动触发配置

Redis 通过 save 配置项实现自动触发 RDB 快照：

# 在 redis.conf 中配置
save 900 1      # 900秒内有至少1个key被修改
save 300 10     # 300秒内有至少10个key被修改
save 60 10000   # 60秒内有至少10000个key被修改

触发逻辑：满足任意一个条件即触发 bgsave。

# 禁用自动 RDB
save ""

# 运行时修改
CONFIG SET save "900 1 300 10 60 10000"

5.1 自动触发条件评估

Redis 每秒执行一次 serverCron()，检查是否满足 save 条件：

1. 遍历所有 save 配置项
2. 计算自上次成功保存以来的时间间隔和修改 key 数量
3. 如果满足任一条件，触发 bgsave

6. RDB 文件格式

RDB 文件采用二进制格式，结构如下：

┌──────────┬──────────┬───────────┬──────────┬──────────┐
│  REDIS   │ version  │ databases │  EOF     │ checksum │
│  魔数    │ 版本号   │ 数据库数据 │ 结束标记 │  校验和  │
└──────────┴──────────┴───────────┴──────────┴──────────┘

各数据库区域结构：

┌─────────────┬──────────────────┬──────────────────┐
│ SELECTDB    │   key-value对    │   key-value对    │
│ 数据库编号   │  (带过期时间)     │  (无过期时间)     │
└─────────────┴──────────────────┴──────────────────┘

编码优化：

• 小整数使用变长编码（1/2/4 字节）
• 短字符串使用嵌入编码（len + data）
• LZF 压缩长字符串
• 整数集合（intset）直接存储
• 压缩列表（ziplist/listpack）直接存储

7. RDB 文件恢复

7.1 自动恢复

Redis 启动时自动检测 RDB 文件：

1. 读取 dir 和 dbfilename 配置
2. 打开 RDB 文件，校验 checksum
3. 逐个加载 key-value 到内存
4. 加载完成后开始接受客户端请求

# 配置 RDB 文件路径
dir /var/lib/redis
dbfilename dump.rdb

7.2 RDB 文件校验

# 使用 redis-check-rdb 工具
redis-check-rdb dump.rdb

7.3 恢复注意事项

• RDB 文件加载期间 Redis 处于阻塞状态
• 如果 RDB 文件损坏，Redis 可能拒绝启动
• 可以使用 redis-check-rdb --fix 尝试修复

8. 配置优化

8.1 关键配置项

# RDB 文件名
dbfilename dump.rdb

# 存储目录
dir /var/lib/redis

# 是否压缩（LZF）
rdbcompression yes

# 是否使用 CRC64 校验
rdbchecksum yes

# bgsave 失败时是否停止写入
stop-writes-on-bgsave-error yes

# 自动触发条件
save 900 1
save 300 10
save 60 10000

8.2 性能调优建议

8.3 大内存实例优化

当 Redis 实例使用内存超过 10GB 时：

• fork() 耗时可能超过 1 秒
• COW 可能占用数 GB 额外内存
• 建议拆分为多个小实例，或使用 AOF 替代
• 考虑开启 lazyfree-lazy-eviction 减少主线程阻塞

9. RDB 与 AOF 对比