Redis 中的持久化技术《Redis设计与实现》

本篇将介绍 Redis 中的持久化技术，主要有两种： RDB持久化 和 AOF持久化；

1、RDB 持久化

1.1 RDB 文件的创建与载入

Redis使用 SAVE 和 BGSAVE 命令生成 RDB 文件；
SAVE ：会阻塞 Redis 服务器进程，直到 RDB 文件创建完毕为止，阻塞期间服务器不能处理任何命令请求；
BGSAVE ：会派生一个子进程，由子进程负责创建 RDB 文件，父进程继续处理命令请求。BGSAVE 执行期间，会发生以下特殊情况：

• 在BGSAVE 命令执行期间，客户端发送 SAVE 和 BGSAVE 命令会被服务器拒绝，防止产生竞争条件。客户端发送 BGREWRITEAOF 命令会被延迟；
• 在BGREWRITEAOF 命令执行期间，客户端发送 BGSAVE 命令会被服务器拒绝；

创建 RDB 文件由 rdb.c/rdbSave 函数完成；
载入 RDB 文件由 rdb.c/rdbLoad 函数完成；
RDB 文件的载入工作是在服务器启动时自动执行，只要 Redis 服务器在启动时检测到 RDB 文件存在，就会自动载入 RDB 文件；

AOF 文件的更新频率通常比 RDB 文件更新频率高：

• 当服务器开启了 AOF 持久化功能时，会优先使用 AOF 文件还原数据库状态；

• 当服务器关闭了 AOF 持久化的功能时，才会使用 RDB 文件来还原数据库状态；

• 服务器在载入 RDB 文件期间，会一直处于阻塞状态，直到载入工作完成为止；

1.2 自动间隔性保存

1.2.1 设置保存条件

• 服务器会根据 save 选项所设置的保存值，设置服务器状态 redisServer 结构的 saveparams 属性；
• redisServer 的结构定义：struct redisServer{ //... //记录了保存条件的数组struct saveparam *saveparams; // }
• saveparams 属性是一个数组，每个 saveparam 结构保存了一个 save 设置的保存条件；
• saveparam 的结构定义：struct saveparam{ //秒数 time_t seconds; //修改值 int changes; }

1.2.2 dirty 计数器和 lastsave 属性

• dirty 属性和 lastsave 属性在 redisServer 结构体里：struct redisServer{//... //修改计数器 long long dirty; //上一次执行保存的时间 time_tlastsave; };dirty 计数器记录距离上一次成功执行 SAVE 命令或者 BGNAME命令之后，服务器对数据库状态进行了多少次修改；lastsave 属性是一个 UNIX 时间戳，记录了服务器上一次成功执行 SAVE 命令或 BGSAVE 命令的时间；

1.2.3 检查保存条件是否满足

• Redis 服务器周期性操作函数 serverCron 默认每隔 100ms 会执行一次，其中包括检查 save 选项所设置的保存条件是否满足（遍历并检查 saveparams数组中的所有保存条件），满足则执行 BGSAVE 命令；

1.3 RDB 文件

1.3.1 RDB 的文件结构

• RDB 文件结构的逻辑图：
• 各个字段含义：

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1.3.2 database 的文件结构

• database 为 RDB 文件的结构组成部分；
• databases 部分的逻辑结构：

各字段含义：

1.3.3 key_value_pairs 的文件结构

• key_value_pairs 为 databases 的结构组成部分；有两种类型，一种不带过期时间，一种带过期时间；
• key_value_pairs 部分的逻辑结构：

各字段含义：

1.3.4 value 的编码

• value 为 key_value_pairs 的结构组成成分；
• value 对象的结构和长度会根据 TYPE 类型的不同而不同；
• value可以是 字符串对象 、 列表对象 、 集合对象 、 哈希表对象 、 有序集合对象 、 INTSET编码的集合 和 ZIPLIST编码的列表、哈希表或有序集合 ；
• value的格式与编码对应请见 《第3章 对象》1.1 对象的定义 ；
• 字符串对象的格式与示例：
• 字符串对象可分为： 压缩字符串 和 无压缩字符串 两种：

列表与集合对象的格式：

哈希表对象的格式：

有序集合对象的格式：

• INTSET 编码集合的格式：将整数集合转换成字符串即可；
• ZIPLIST编码的列表、哈希表或有序集合的格式：将压缩列表转换成一个字符串对象，然后再保存到 RDB 文件；

1.4 RDB 文件的示例

不包含任何键值对的 RDB 文件：

2、AOF 持久化与 RDB 持久化的区别

• AOF 持久化 ：保存 Redis 服务器所执行的命令来记录数据库状态；
• RDB 持久化 ：保存数据库中的键值对来记录数据库状态不同；

3、 AOF 持久化

3.1 AOF 持久化的实现

• AOF 持久化功能可分为：追加（append）、文件写入、文件同步（sync）三个步骤；
• AOF 文件中的所有命令都以 Redis 命令请求协议的格式保存；
• 当 AOF 持久化功能打开时，服务器在执行完一个写命令之后，会以协议格式将被执行的写命令追加到服务器状态的 aof_buf 缓冲区的末尾：struct****redisServer{ //... //AOF 缓冲区 sds aof_buf; };
• AOF 文件的写入与同步依赖事件循环 loop，每次循环主要有三个工作：处理文件事件 ：负责接收客户端的命令请求，以及向客户端发送命令回复；处理时间事件 ：执行需要定时运行的函数；flushAppendOnlyFile() ：考虑是否将 aof_buf 中的内容追加到 AOF 文件中；
• flushAppendOnlyFile()函数的行为由服务器配置的 appendfsync 选项的值决定，该值有三种不同的行为：

3.2 AOF 文件的载入与数据还原

服务器创建一个不带网络连接的伪客户（fake client），为客户端读入并执行 AOF 文件即可；

3.3 AOF 重写

• AOF 重写不需要对现有 AOF 文件进行任何读取、分析或写入操作，而是通过读取服务器当前数据库状态实现；

• AOF 重写功能的实现原理： 从数据库读取键现在的值，然后用一条命令记录键值对，代替之前记录这个键值对的多条命令 ；

• 为了避免执行命令时造成客户端输入缓冲区溢出，重写程序在处理列表、哈希表、集合、有序集合这四种键时，会检查元素数量，超过一定数量（64）时会使用多条命令记录这个键的情况；

• 这个数量由常量 redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD 确定；

3.4 AOF 后台重写

AOF 重写需要解决2个问题：

• 重写不能阻碍服务器处理客户端请求：使用 的进程 解决；
• 的进程在 AOF 重写期间，父进程服务器对数据库状态进行修改，会使服务器当前状态与重写后 AOF 状态不一致：设置 AOF 重写缓冲区 解决；

Redis 将 AOF 重写程序放到 子进程 里执行：子进程进行 AOF 重写期间，服务器进程（父进程）可以继续处理命令请求；子进程带有服务器进程的数据副本，使用子进程而不是线程，避免使用锁的情况下保证数据安全；

Redis 服务器设置一个 AOF 重写缓冲区 ，以保证：AOF 缓冲区的内容会定期被写入和同步到 AOF 文件，对现有 AOF 文件的处理工作如常进行；从创建子进程开始，服务器执行的所有命令都会被记录到 AOF 重写缓冲区里；

完成 AOF 重写工作后，向父进程发送一个信号，父进程接到信号后调用信号处理函数，执行以下工作：

将 AOF 重写缓冲区中的所有内容写入到新 AOF 文件，此时新 AOF 文件保存的数据库状态将与服务器当前的数据库状态一致；对新的 AOF 文件进行改名，原子地覆盖现有的 AOF 文件，完成新旧两个任务 AOF 文件的替换；

只有号处理函数执行时会对服务器进程（父进程）造成阻塞；