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Redis 设计与实现-AOF 持久化

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除了RDB持久化功能之外,Redis还提供了AOF(Append Only File)持久化功能。与RDB持久化通过保存数据库中的键值对来记录数据库状态不同,AOF持久化是通过保存Redis服务器所执行的写命令来记录数据库状态的,如图11-1所示。

被写人AOF文件的所有命令都是以Redis的命令请求协议格式保存的,因为Redis的命令请求协议是纯文本格式,所以我们可以直接打开一个AOF文件,观察里面的内容。例如,对于如下执行的三个写命令来说,服务器将产生包含以下内容的AOF文件:
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SET msg "hello"
SADD fruits "apple" "bannana" "cherry"
RPUSH numbers 128 256 512

1. AOF 持久化的实现

AOF持久化功能的实现可以分为命令追加(append)、文件写人、文件同步(sync)三个步骤。

1.1 命令追加

当AOF持久化功能处于打开状态时,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:

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struct redisServer {
    // ...
    // AOF 缓冲区
    sds aof_buf;
    // ...
};

1.2 AOF 文件的写入与同步

Redis的服务器进程就是一个事件循环(loop),这个循环中的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,而时间事件则负责执行像serverCron函数这样需要定时运行的函数。

因为服务器在处理文件事件时可能会执行写命令,使得一些内容被追加到aof_buf缓冲区里面,所以在服务器每次结束一个事件循环之前,它都会调用flushAppendOnlyFile函数,考虑是否需要将aof_buf缓冲区中的内容写入和保存到AOF文件里面。

flushAppendOnlyFile函数的行为由服务器配置的appendSync选项的值来决定,各个不同值产生的行为如表11-1所示。

2. AOF 文件的载入与数据还原

因为AOF文件里面包含了重建数据库状态所需的所有写命令,所以服务器只要读人些重新执行一遍AOF文件里面保存的写命令,就可以还原服务器关闭之前的数据库状态。Redis读取AOF文件并还原数据库状态的步骤如图所示:

3. AOF 重写

因为AOF持久化是通过保存被执行的写命令来记录数据库状态的,所以随着服务器运行时间的流逝,AOF文件中的内容会越来越多,文件的体积也会越来越大,如果不加以控制的话,体积过大的AOF文件很可能对Redis服务器、甚至整个宿主计算机造成影响,并且AOF文件的体积越大,使用AOF文件来进行数据还原所需的时间就越多。

举个例子,如果客户端执行了以下命令:

那么光是为了记录这个list键的状态,AOF文件就需要保存六条命令。对于实际的应用程度来说,写命令执行的次数和频率会比上面的简单示例要高得多,所以造成的问题也会严重得多。

3.1 AOF 文件重写的实现

虽然Redis将生成新AOF文件替换旧AOF文件的功能命名为“AOF文件重写“,但实际上,AOF文件重写并不需要对现有的AOF文件进行任何读取、分析或者写人操作,这个功能是通过读取服务器当前的数据库状态来实现的。考虑这样一个情况,如果服务器对list键执行了以下命令:

那么服务器为了保存当前list键的状态,必须在AOF文件中写入六条命令。如果服务器想要用尽量少的命令来记录list键的状态,那么最简单高效的办法不是去读取和分析现有AOF文件的内容,而是直接从数据库中读取键list的值,然后用一条RPUSH list “C“ “D“ “E“ “F“ “G“ 命令来代替保存在AOF文件中的六条命令,这样就可以将保存list键所需的命令从六条减少为一条了。这也是 AOF 重写的原理。

3.2 AOF 后台重写

作为一种辅佐性的维护手段,Redis不希望AOF重写造成服务器无法处理请求,所以Redis决定将AOF重写程序放到子进程里执行。不过,使用子进程也有一个问题需要解决,因为子进程在进行AOF重写期间,服务器进程还需要继续处理命令请求,而新的命令可能会对现有的数据库状态进行修政,从而使得服务器当前的数据库状态和重写后的AOF文件所保存的数据库状态不一致。

为了解决这种数据不一致问题,Redis服务器设置了一个AOF重写缓冲区,这个缓冲区在服务器创建子进程之后开始使用,当Redis服务器执行完一个写命令之后,它会同时将这个写命令发送给AOF缓冲区和AOF重写缓冲区,如图11-4所示。

这也就是说,在子进程执行AOF重写期间,服务器进程需要执行以下三个工作:

  1. 执行客户端发来的命令。

  2. 将执行后的写命令追加到AOF缓冲区。

  3. 将执行后的写命令追加到AOF重写缓冲区。

这样一来可以保证:

  • AOF缓冲区的内容会定期被写人和同步到AOF文件,对现有AOF文件的处理工作会如常进行。

  • 从创建子进程开始,服务器执行的所有写命令都会被记录到AOF重写缓冲区里面。当子进程完成AOF重写工作之后,它会向父进程发送一个信号,父进程在接到该信号之后,会调用一个信号处理函数,并执行以下工作:

  1. 将AOF重写缓冲区中的所有内容写人到新AOF文件中,这时新AOF文件所保存的数据库状态将和服务器当前的数据库状态一致。

  2. 对新的AOF文件进行改名,原子地(atomic)覆盖现有的AOF文件,完成新旧两个AOF文件的替换。

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