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简介： 阿里云数据库重磅公布自研 Tair 长久存储系列的产品突破了传统 Redis 中的数据只能在易失性存储上进行读写的刻板印象，针对客户不同业务阶段的数据存储要求与服务老本考量，全新实现了持久性更强、老本更低的 KV 数据库。
Redis 做为当今支流的内存数据库反对许多丰盛的数据结构，比方哈希表、汇合，还有 lua 脚本、事务、音讯订阅等等高级个性，同时应用内存做为次要的存储介质，反对高速拜访。
然而因为其数据全副存储在内存，老本较高，而且对于海量数据存储的反对也存在一些痛点，比方在 AOFREWRITE 和生成 RDB 快照时会有较高的 latency spike，大数据量下全量同步耗时较长、失败率较高。并且数据可靠性稍弱，RDB 和 AOF 不能保证数据不失落。
为了解决上述问题，拓宽 Redis 的利用场景，咱们联合新技术新硬件推出了 Tair 长久存储系列产品：容量存储型和长久内存型，反对大容量存储和更高的数据可靠性。
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容量存储型
应用磁盘存储就是其中的解决方案之一，利用磁盘能够降低成本并且提供海量存储。然而在磁盘上实现 redis 也会有一些挑战：
1. 首先 redis 的数据结构都是基于内存实现，内存能够间接寻址，而磁盘是个块设施，须要在磁盘上构建存储引擎来反对 redis 数据结构拜访。
2. 另外磁盘和内存有较大的性能差距，原生 redis 单线程的架构无奈满足吞吐需要，须要从架构设计上晋升拜访性能。
应答这些挑战，咱们基于 rocksdb 进行了革新，提供了高性能的存储引擎 TairDB，并实现了 redis 数据结构向简略 kv 的编码映射，使 redis 数据可能存储在磁盘上；采纳多线程的架构来晋升拜访磁盘的性能；同时应用阿里云 ESSD 高效云盘为存储底座，利用云盘快照进行备份和全量同步，防止 fork 带来的问题并进步全量同步效率。
redis 有五种根本数据类型，其中 string 能够间接映射到 rocksdb 的 kv，然而其余一些简单的数据结构 hash、list、set、zset 须要通过肯定格局的编码把 redis 的数据结构映射到 rocksd 的 kv 上。
咱们把 redis 数据结构拆分为 meta 和 data 两类，进行不同的编码，通过 meta 能够去找到其对应的 data，也即二级索引。
以 hash 为例，执行 hset myhash myfield myvalue 之后，hash 表的名字 myhash 就会在 meta 中生成一份 kv，其中 key 就是 myhash，value 会标记它的属性为 hash 表；myfield 和 myvalue 会记录在 data 中，再以 key+ 类型 +filed 就能够索引到 hash 表的所有内容。
为了实现多线程架构，首先须要解决 key 抵触的问题，这里咱们实现了 key 级别的锁，这样能够大大降低锁抵触，进步并发度。命令执行过程中多个线程首先获取 key 锁，而后按命令的逻辑执行，通过事后设计好的编码规定存取数据。最初再把后果以事务的形式提交给底层存储引擎。每个命令的执行都是要在事务提交之后才会返回后果，这样每一条命令都是长久化的，大大晋升了数据可靠性。
对于主备复制，全量复制应用云盘快照提高效率。增量复制采纳相似 MySQL binlog 的形式，事务提交之后同时也会写入 binlog，而后会有 sender 把 binlog 传输给备库，binlog 传输到备库上时会首先保留为 relaylog 作为中继，而后通过 relaylog 再回放利用，这样有两点益处：
1. 反对 semisync，只有 relaylog 落盘就能够认为事务在备库也提交实现，不必期待 relaylog 利用，这样既能够晋升增量同步的效率，同时提供了更强的主备一致性保障。
2. 反对并发回放，在 relaylog 中记录并发度的元信息，不同的 key 就能够进行并发回放提高效率，同时雷同的 key 依然按序回放，保障主备一致性，不会造成数据错乱。
上图为不同类型场景和实例规格下的性能测试后果，测试命令为工夫复杂度 O(1)的 GET/SET，综合性能中位数在开源版 70%。
在数据小于内存的状况下大部分数据都会缓存在操作系统的 page cache 中，整体性能会优于数据大于内存的状况。规格越高的实例线程越多并发度也就越高，性能也绝对越好。另外不同于内存中的 GET/SET，磁盘上写入数据须要有 read modify write 的过程，也即须要先读取元数据能力进行批改，所以对于 GET/SET 写性能要弱于读性能。
长久内存型
傲腾长久内存是 Intel 推出的一款非易失性内存产品，在提供靠近内存延时能力的同时放弃长久化的能力，现实状况下对于 Redis 场景来说是十分好的，因为数据写入到长久内存中曾经长久化，那么就不须要额定的日志和 Checkpoint 用来保障长久化的个性，同时傲腾长久内存在提早上也比拟靠近内存优于传统 SSD，老本上比照内存也更加的便宜。
Redis 基于傲腾长久内存能达到高性能的同时领有较高的长久化能力，然而理论在工程实现会碰到十分大的挑战，包含：
1. 须要应用长久化内存的分配器来代替原有的内存分配器，分配器的元数据信息须要长久化，否则在复原的时候会造成内存的泄露或者不统一。
2. 本来 String，Set，Hash 这些数据结构和索引在异样的时候全副生效在复原的时候重建，而当初这些数据都是长久化的，如何反对设计长久化的数据结构是目前工业界和理论界次要的钻研方向之一
3. 索引和数据的一致性，数据的完整性，这些都会在下一张 NVM 的挑战中做更具体的阐释
4. 长久内存在延时还是比内存更高，如何做好冷热拆散，让零碎领有更高的性能。
5. 如何领有高性能的同时兼备弱小的长久化能力。
长久内存的应用分为两大类 Memory Mode 和 AppDirecrt Mode, memory mode 无需用户革新然而没有长久化内里，应用 App Direct mode 之后比照传统 SSD 从 block 寻址转为字节寻址，同时接口也从文件 write/read 转为内存的 load 和 store。
数据写入内存的过程可能会停留在 CPU L1，L2cache，须要调用相似 CLWB 和 CLFLUSHOPT 这样的指令来刷到内存零碎中，因为 CPU 只能保障 8 个字节的原子写入，那么对于一个 16 字节的写很有可能在写完第一个 8 字节的时候 crash，后半局部没有写入胜利这个就是所谓的 partial writes，下层利用在应用长久内存的时候须要额定的实现来保障数据长久问题。
上面的例子是一个双向链表，传统内存 crash 之后所有的数据失落，而长久内存则保留了 crash 的状态，因而会呈现 B 的 Next 指针指向了 C 而 C 的 Prev 指针缺没有指向 B，这个时候的双向链表是出于异样的状态。从链表衍生开来内存分配器中的治理构造也存在这个问题，会呈现内存泄露等状况。
因为长久化的挑战，目前支流应用长久内存的形式都是当做 Memory 或者应用 AppDirect 然而不反对长久化，阿里云 Tair 长久内存版的是基于傲腾长久内存的自研引擎，解决了长久化编程中遇到的各种挑战，撘配阿里云官网提供的 Linux 操作系统镜像 Aliyun Linux，Aliyun 弹性计算服务首次（寰球首家）在神龙裸金属服务器上引入傲腾长久内存，深度优化欠缺反对，为客户提供平安、稳固、高性能的体验。
阿里云长久内存版 Tair 的每一条记录都确保写入 AEP 并且长久化才返回，极大的晋升数据的可靠性，同时在读取门路上应用 Dram 缓存如索引等热点数据结构和元数信息，来减速数据拜访的存取。
在神龙裸金属机器上，咱们应用雷同配置进行了 Tair 长久内存版和 Redis6.0 的性能比照，整体上吞吐为社区内存版本的 90%，延时上因为没有 AofRewrite 的烦扰，P95 的延时更加的稳固。
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