Redis实现之AOF持久化
AOF持久化
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服务器所执行的命令来记录数据库状态，如图1-1所示
图1-1 AOF持久化
举个栗子，如果我们对空白的数据库执行以下写命令，那么数据库中将包含三个键值对
127.0.0.1:6379> SET msg "hello" OK 127.0.0.1:6379> SADD fruits "apple" "banana" "cherry" (integer) 3 127.0.0.1:6379> RPUSH numbers 128 256 512 (integer) 3
RDB持久化保存数据库状态的方法是将msg、fruits、numbers三个键的键值对保存到RDB文件中，而AOF持久化保存数据库状态的方法是将服务器执行的SET、SADD、RPUSH三个命令保存到AOF文件中。被写入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，对于之前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：
*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$1\r\n0\r\n *3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nmsg\r\n$5\r\nhello\r\n *5\r\n$4\r\nSADD\r\n$6\r\nfruits\r\n$5\r\napple\r\n$6\r\nbanana\r\n$6\r\ncherry\r\n *5\r\n$5\r\nRPUSH\r\n$7\r\nnumbers\r\n$3\r\n128\r\n$3\r\n256\r\n$3\r\n512\r\n
在这个AOF文件里面，除了用于指定数据库的SELECT命令是服务器自动添加的之外，其他都是我们之前通过客户端发送的命令。服务器在启动时，可以通过载入和执行AOF文件中保存的命令来还原服务器关闭之前的数据库状态，以下就是服务器载入AOF文件并还原数据库状态时打印的命令
* DB loaded from append only file: 0.012 seconds
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）、文件写入、文件同步（sync）三个步骤
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
redis.h
struct redisServer {
……
//AOF缓冲区
sds aof_buf;
……
};
举个栗子，如果客户端向服务器发送以下命令：
127.0.0.1:6379> SET KEY VALUE OK
那么服务器在执行这个SET命令之后，会将以下协议内容追加到aof_buf缓冲区的末尾：
*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nKEY\r\n$5\r\nVALUE\r\n
又例如，如果客户端向服务器发送以下命令：
127.0.0.1:6379> RPUSH NUMBERS ONE TWO THREE (integer) 3
那么服务器在执行这个RPUSH命令之后，会将以下协议内容追加到aof_buf缓冲区的末尾：
*5\r\n$5\r\nRPUSH\r\n$7\r\nNUMBERS\r\n$3\r\nONE\r\n$3\r\nTWO\r\n$5\r\nTHREE\r\n
AOF文件的写入与同步
Redis的服务器进程就是一个事件循环，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，这个过程可以用以下伪代码表示：
def eventLoop():
while True:
#处理文件时间，接受命令请求以及发送命令回复
#处理命令请求时可能会有新内容被追加到aof_buf缓冲区中
processFileEvents()
#处理时间时间
processTimeEvents()
#考虑是否要将aof_buf中的内容写入和保存到AOF文件里面
flushAppendOnlyFile()
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1-1所示
| appendfsync选项的值 | flushAppendOnlyFile函数的行为 |
| always | 将aof_buf缓冲区中的所有内容写入并同步到AOF文件 |
| everysec | 将aof_buf缓冲区中的所有内容写入到AOF文件，如果上次同步AOF文件的时间距离现在超过一秒钟，那么再次对AOF文件进行同步，并且这个同步操作是由一个线程专门负责执行的 |
| no | 将aof_buf缓冲区中的所有内容写入到AOF文件，但并不对AOF文件进行同步，何时同步由操作系统来决定 |
如果用户没有主动为appendsync选项设置值，那么appendsync选项的默认值为everysec，关于appendsync选项的更多信息，请参考Redis项目附带的示例配置文件redis.conf
文件的写入和同步：为了提高文件的写入效率，在现代操作系统中，当用户调用write函数，将一些数据写入到文件的时候，操作系统通常会将写入数据暂时保存在一个内存缓冲里面，等到缓冲区的空间被填满、或者超过了指定的时限之后，才真正地将缓冲区中的数据写入到磁盘中。这种做法虽然提高了效率，但也为写入数据带来安全问题，如果计算机发生停机，那么保存在内存缓冲的数据也会丢失。为此，系统提供了fsync和fdatasync两个同步函数，它们可以强制让操作系统立即将缓冲区中的数据写入到磁盘中，从而确保写入数据的安全性
举个栗子，假设服务器在处理文件事件期间，执行了以下三个命令：
127.0.0.1:6379> SADD databases "Redis" "MongoDB" "MariaDB" (integer) 3 127.0.0.1:6379> SET date "2013-9-5" OK 127.0.0.1:6379> INCRBY click_counter 10086 (integer) 10086
那么aof_buf缓冲区将包含这三个命令的协议内容：
*5\r\n$4\r\nSADD\r\n$9\r\ndatabases\r\n$5\r\nRedis\r\n$7\r\nMongoDB\r\n$7\r\nMariaDB\r\n *3\r\n$3\r\nSET\r\n$4\r\ndate\r\n$8\r\n2013-9-5\r\n *3\r\n$6\r\nINCRBY\r\n$13\r\nclick counter\r\n$5\r\nl0086\r\n
如果这时flushAppendOnlyFile函数被调用，假设服务器当前appendfsync选项的值为everysec，并且距离上次同步AOF文件已经超过一秒钟，那么服务器会先将aof_buf中的内容写入到AOF文件中，然后再对AOF文件进行同步
服务器配置appendfsync选项的值直接决定AOF持久化功能的效率和安全性：
- 当appendfsync的值为always时，服务器在每个事件循环都要将aof_buf缓冲区中的所有内容写入到AOF文件，并且同步AOF文件，所以always的效率是appendfsync选项三个值中最慢的一个，但从安全性来说，always也是最安全的，因为即使因为故障停机，AOF持久化也只会丢失一个事件循环中所产生的命令数据
- 当appendfsync的值为everysec时，服务器在每个事件循环都要将aof_buf缓冲区的所有内容写入到AOF文件，并且每隔一秒就要在子线程中对AOF文件进行一次同步。从效率上来讲，everysec模式足够快，并且就算出现故障停机，数据库也只丢失一秒钟的命令数据
- 当appendfsync的值为no时，服务器在每个事件循环都要将aof_buf缓冲区中的所有内容写入到AOF文件，至于何时对AOF文件进行同步，则由操作系统控制。因为处于no模式下的flushAppendOnlyFile调用无须执行同步操作，所以该模式下的AOF文件写入速度总是最快的，不过因为这种模式会在系统缓存中积累一段时间的写入数据，所以该模式的单次同步时长通常是三种模式中时间最长的。从平摊操作的角度来看，no模式和everysec模式的效率类似，当出现故障停机时，使用no模式的服务器将丢失上次同步AOF文件之后的所有写命令数据
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，所以服务器只要读入并重新执行一遍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详细步骤如下：
- 创建一个不带网络连接的伪客户端（fake client）：因为Redis的命令只能在客户端上下文执行，而载入AOF文件时所使用的命令直接来源于AOF文件而不是网络连接，所以服务器使用了一个没有网络连接的伪客户端来执行AOF文件保存的写命令，伪客户端执行命令的效果和网络连接的客户端执行命令的效果一样
- 从AOF文件中分析并读取出一条写命令
- 使用伪客户端执行被读取的写命令
- 一直执行步骤2和3，直到AOF文件中的所有写命令都被处理完毕为止
当完成以上步骤之后，AOF文件所保存的数据库状态就会被完整的还原出来，真个过程如图1-2所示
图1-2 AOF文件载入过程
例如，对于以下AOF文件来说：
*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$l\r\n0\r\n *3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nmsg\r\n$5\r\nhello\r\n *5\r\n$4\r\nSADD\r\n$6\r\nfruits\r\n$5\r\napple\r\n$6\r\nbanana\r\n$6\r\ncherry\r\n *5\r\n$5\r\nRPUSH\r\n$7\r\nn\unbers\r\n$3\r\nl28\r\n$3\r\n256\r\n$3\r\n512\r\n
服务器首先读入并执行SELECT 0命令，之后是SET msg hello命令，再之后是SADD fruits apple banana cherry命令，最后是RPUSH number 128 256 512命令，当这些命令都执行完毕后，服务器的数据库就被还原到之前的状态了
以上就是服务器读入AOF文件，并根据文件内容来还原数据库状态的原理
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文件的体积过大，使用AOF文件来进行数据还原所需的时间越多
举个栗子，如果客户端执行了以下命令：
127.0.0.1:6379> RPUSH list "A" "B" #["A", "B"] (integer) 2 127.0.0.1:6379> RPUSH list "C" #["A", "B", "C"] (integer) 3 127.0.0.1:6379> RPUSH list "D" "E" #["A", "B", "C", "D", "E"] (integer) 5 127.0.0.1:6379> LPOP list #["B", "C", "D", "E"] "A" 127.0.0.1:6379> LPOP list #["C", "D", "E"] "B" 127.0.0.1:6379> RPUSH list "F" "G" #["C", "D", "E", "F", "G"] (integer) 5
那么光是记录这个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很多，所以造成的问题也会严重得多。为了解决AOF文件体积膨胀的问题，Redis提供了AOF文件重写功能。通过该功能，Redis服务器恶意创建一个新的AOF文件来替代现有的AOF文件，新旧两个AOF文件所保存的数据库状态相同，但新AOF文件不会包含任何浪费空间的冗余命令，所以新AOF文件的体积通常会比旧AOF文件的体积要小的多
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、分析或者写入操作，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执行了以下命令：
127.0.0.1:6379> RPUSH list "A" "B" #["A", "B"] (integer) 2 127.0.0.1:6379> RPUSH list "C" #["A", "B", "C"] (integer) 3 127.0.0.1:6379> RPUSH list "D" "E" #["A", "B", "C", "D", "E"] (integer) 5 127.0.0.1:6379> LPOP list #["B", "C", "D", "E"] "A" 127.0.0.1:6379> LPOP list #["C", "D", "E"] "B" 127.0.0.1:6379> RPUSH list "F" "G" #["C", "D", "E", "F", "G"] (integer) 5
那么服务器为了保存当前list键的状态，必须在AOF文件中写入这六条命令。如果服务器想要用尽量少的命令来记录list键的状态，那么最简单有效的办法不是读取和分析AOF文件的内容，而是直接读取当前数据库中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
除了上面的列表键之外，其他所有类型的键都可以用同样的方法减少AOF文件中命令数量。首先从数据库读取键现在的值，然后用一条命令去记录键值对代替原先记录这个键值对的多条命令，这就是AOF重写功能的实现原理
整个重写过程可以用以下伪代码表示
def aof_rewrite(new_aof_file_name):
# 创建新的AOF文件
f = create_file(new_aof_file_name);
# 遍历数据库
for db in redisServer.db:
# 忽略空数据库
if db.is_empty() : continue;
# 写入SELECT命令，指定数据库号码
f.write_command("SELECT"+db.id);
# 遍历数据库中所有键
for key in db:
# 忽略已经过期的键
if key.is_expired():continue;
# 根据键的类型对键进行重写
if key.type == String:
rewrite_string(key);
else if key.type == List:
rewrite_list(key);
else if key.type == Hash:
rewrite_hash(key);
else if key.type == Set:
rewrite_set(key);
else if key.type == SortedSet:
rewrite_sorted_set(key);
# 如果键带有过期时间，那么过期时间也要被重写
if key.have_expire_time():
rewrite_expire_time(key);
# 写入完毕，关闭文件
f.close();
def rewrite_string(key):
# 使用GET命令获取字符串键的值
value = GET(key);
# 使用SET命令重写字符串键
f.write_command(SET, key, value);
def rewrite_list(key):
# 使用LRANGE命令获取列表键的所有元素
item1, item2,..., itemN = LANGE(key, 0, -1);
# 使用RPUSH命令重写列表键
f.write_command(RPUSH, key, item1, item2,..., itemN);
def rewrite_hash(key):
# 使用HGETALL命令获取哈希键包含的所有键值对
field1, value1, field2, value2,..., fieldN, valueN = HGETALL(key);
# 使用HMSET命令重写哈希键键
f.write_command(HMSET, key, field1, value1, field2, value2,..., fieldN, valueN);
def rewrite_set(key):
# 使用SMEMBERS命令获取集合键的所有元素
elem1, elem2,..., elemN = SMEMBERS(key);
# 使用SADD命令重写集合键
f.write_command(SADD, key, elem1, elem2,..., elemN);
def rewrite_sorted_set(key):
# 使用ZRANGE命令获取有序集合键的所有元素
member1, score1,member2, score2,...,memberN, scoreN = ZRANGE(key, 0, -1, "WITHSCORES");
# 使用ZADD命令重写有序集合键
f.write_command(ZADD, key, member1, score1,member2, score2,...,memberN, scoreN);
def rewrite_expire_time(key):
# 获取毫秒精度的键过期时间戳
timestamp = get_expire_time_in_unixstamp(key);
# 使用PEXPIREAT命令重写键的过期时间
f.write_command(PEXPIREAT, key, timestamp);
因为aof_rewrite函数生成的新AOF文件只包含还原当前数据库状态所必须的命令，所以新AOF不会浪费任何硬盘空间
图1-13 一个数据库
例如，对于图1-13所示的数据库，aof_write函数产生的新AOF文件将包含以下命令：
SELECT 0 RPQSH alphabet Ma" nbw "c" EXPIREAT alphabet 1385877600000 HMSET book "name" "Redisin Action" "author" "Josiah L. Carlson" "publisher" "Manning” EXPIREAT book 1388556000000 SET message "hello world"
以上就是还原图1-3所示的数据库所必须的命令，它们没有一条是多余的
在实际中，为了避免在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、有序集合这四种可能会带有多个元素的键时，会先检查键所包含的元素数量，如果元素的数量超过了redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD常量的值，那么重写程序将使用多条命令来记录键的值，而不单单使用一条命令
在目前版本中，REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD常量的值为64，这也就是说，如果一个集合键包含了超过64个元素，那么重写程序会用多条SADD命令来记录这个集合，并且每条命令设里的元素数量也为64个：
SADD <set-key> <eleml> <elem2>……<elem64> SADD <set-key> <elem65> <elem66>……<eleml28> SADD <set-key> <elem!29> <eleml30>…<eleml92>
另一方面如果一个列表键包含了超过64个项，那么重写程序会用多条RPUSH命令来保存这个列表，并且每条命令设里的项数量也为64个：
RPUSH <list-key> <iteml> <item2>……<item64> RPUSH <list-key> <item65> <item66>……<iteml28> RPUSH <list-key> <iteml29> <iteml30>……<item192>
重写程序使用类似的方法处理包含多个元素的有序集合键，以及包含多个键值对的哈希表键
AOF后台重写
上面介绍的AOF重写程序aof_rewrite函数可以很好地完成创建一个新AOF文件的任务，但是，因为这个函数会进行大量的写入操作，所以调用这个函数的线程将被长时间阻塞，因为Redis服务器使用单线程来处理命令请求，所以如果由服务器直接调用aof_rewrite函数的话，那么在重写AOF文件期间，服务器将无法处理客户端发送的命令请求
很明显，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，这样做可以同时达到两个目的：
- 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，可以在避免使用锁的情况下，保证数据的安全性
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改，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
表1-2展示了一个AOF文件重写的例子，当子进程开始进行文件重写时，数据库只有k1一个键，但是当子进程完成AOF文件重写之后，服务器进程的数据库中已经新设置了k2、k3、k4三个键，因此，重写后的AOF文件和服务器当前的数据库状态并不一致，新的AOF文件只保存了k1一个键的数据，而服务器数据库现在却有k1、k2、k3、k4四个键
| 时间 | 服务器进程 | 子进程 |
| T1 | 执行命令SET k1 v1 | |
| T2 | 执行命令SET k1 v2 | |
| T3 | 执行命令SET k1 v3 | |
| T4 | 创建子进程，执行AOF文件重写 | 开始AOF文件重写 |
| T5 | 执行命令SET k2 10086 | 执行重写搡作 |
| T6 | 执行命令SET K3 12345 | 执行重写搡作 |
| T7 | 执行命令SET k4 22222 | 完成AOF文件重写 |
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1-4所示
图1-4 服务器同时将命令发送给AOF文件和AOF重写缓冲区
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：
- 执行客户端发来的命令
- 将执行后的写命令追加到AOF缓冲区
- 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入和同步到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，就会调用一个信号处理函数，并执行以下工作：
- 将AOF重写缓冲区中所有内容写入到新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
- 对新AOF文件进行改名，原子地覆盖现有的AOF文件，完成新旧两个AOF文件的替换
这个信号处理函数执行完毕后，父进程就可以继续像往常一样接受命令请求了
在整个AOF后台重写过程中，只有信号处理函数执行时会对服务器进程（父进程）造成阻塞，在其他时候，AOF后台重写都不会阻塞父进程，这将AOF重写对服务器性能造成的影响降到了最低。举个栗子，表1-3展示了一个AOF后台重写的过程：
- 当子进程开始重写时，服务器进程（父进程）的数据库中只有k1一个键，当子进程完成AOF文件重写之后，服务器进程的数据库中已经多出k2、k3、k4三个新键
- 在子进程向服务器进程发送信号之后，服务器进程会将保存在AOF重写缓冲区里面记录的k2、k3、k4三个键的命令追加到新AOF文件的末尾，然后用新AOF文件替换旧AOF文件，完成AOF文件后台重写操作
| 时间 | 服务器进程（父进程） | 子进程 |
| T1 | 执行命令SETk1 v1 | |
| T2 | 执行命令SETk1 v2 | |
| T3 | 执行命令SETk1 v3 | |
| T4 | 创建子进程，执行AOF文件重写 | 开始AOF文件重写 |
| T5 | 执行命令SET k2 10086 | 执行重写搡作 |
| T6 | 执行命令SET k3 12345 | 执行重写搡作 |
| T7 | 执行命令SET k4 22222 | 完成AOF文件重写，向父迸程发送信号 |
| T8 | 收到子进程发来的信号，将命令SET k2 10086、SET k3 12345、SET k4 22222 | |
| T9 | 用新AOF文件覆盖旧AOF文件 |
以上就是AOF后台重写，也即是BGREWRITEAOF命令的实现原理
