chapter11 AOF持久化

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本文深入探讨Redis的AOF(Append Only File)持久化机制，介绍其如何通过记录所有修改数据库状态的写命令来实现数据的持久化，并解析AOF持久化的实现流程、AOF文件载入与数据还原的过程以及AOF重写的实现原理。

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。

举个例子,如果我们对空白数据库执行以下命令,那么数据库中将包含三个键值对:

redis>set msg "hello"
OK
redis>sadd fruits "apple" "banana" "cherry"
(integer) 3
redis>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则是将服务器执行的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命令来说,服务器将产生包含以下内容的AOF文件:

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。

服务在再启动时,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日志:

11.1 AOF持久化的实现

AOF持久化工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。

11.1.1 命令追加

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:

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

举个例子,如果客户端向服务器发送以下命令:

redis> 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:

又例如,如果客户端向服务器发送以下命令:

redis>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:

11.1.2 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。

服务器在处理文件事件的时候可能会执行写命令，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，都会调用flushAppendOnlyFile函数，考虑是否将aof_buf缓冲区中的内容写入到AOF文件里面,这个过程可以用以下伪代码表示:

def eventLoop():
  while True:
    # 处理文件事件,接收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()
    # 处理时间事件
    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appendfsync选项的值来决定,各个不同值产生的行为如表11-1所示。

如果用户没有主动为appendfsync选项设置值,那么appendfsync选项的默认值为everysec。

文件的写入与同步

为了提高文件的写入效率,在现代操作系统中,当用户调用了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区里面,等到缓冲区的空间被填满、或者超过了指定的时限之后,才真正的将缓冲区中的数据写入到磁盘里面。

这种做法虽然提高了效率,但也为写入数据带来了安全问题,因为如果计算机发生停机,那么保存在内存缓冲区里面的写入数据将会丢失。

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硬盘里面,从而保证写入数据的安全性。

举个例子,假设服务器在处理文件事件期间,执行了以下三个写入命令:

那么aof_buf缓冲区将包含着三个命令的协议内容:

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。

11.2 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:

(1)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中执行，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。

(2)从AOF文件中分析并读出一条写命令。

(3)使用伪客户端执行被读出的写命令。

(4)一直执行步骤2和步骤3，直到AOF文件中的所有写命令都被处理完毕为止。

11.3 AOF重写

随着时间的流逝,AOF文件的内容会越来越多,文件的体积会越来越大,如果不加以控制,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.为了解决AOF文件体积膨胀问题,redis提出了AOF文件重写功能,通过该功能,redis服务器可以创建一个新的AOF文件来替代现有的AOF文件。

11.3.1 AOF文件重写的实现

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键执行了以下命令:

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minglign,就可以将保存list键所需的命令从六条减少为一条了。

AOF重写功能的实现原理:首先从数据库中读取键现在的值,然后用一条命令去记录键值对,代替之前记录这个键值对的多条命令。

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文件不会浪费任何硬盘空间。

例如,对于图11-3所示的数据库,aof_rewrite函数产生的新AOF文件将包含以下命令:

11.3.2 AOF后台重写

(1)AOF后台重写提出的原因

因为redis服务器是使用单线程来处理命令请求的,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来的命令请求,所以,redis决定将AOF重写程序放在子进程里执行,这样就可以同时达到两个目的。

一是子进程执行AOF重写期间，服务器进程（父进程）可以继续处理命令请求。

二是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，可以避免使用锁的情况下，保证数据的安全性。

(2)AOF重写存在的问题及解决方案

存在的问题：因为子进程在在进行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11-2,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。

解决方法: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。

(3)子进程执行AOF重写期间,服务器进程需要做的事情：

<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好之后,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。

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。

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,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。

以上就是AOF后台重写,也即是BGREWRITEAOF命令的实现原理。

11.4 重点回顾

AOF文件通过保存所有修改数据库的写命令请求来记录服务器的数据库状态。
AOF文件中的所有命令都以Redis命令请求协议的格式保存。
命令请求会先保存到AOF缓冲区里面,之后再定期写入并同步到AOF文件。
appendfsync选项的不同值对AOF持久化功能的安全性以及Redis服务器的性能有很大的影响。
服务器只要载入并重新执行保存在AOF文件中的命令,就可以还原数据库本来的状态。
AOF重写可以产生一个新的AOF文件,这个新的AOF文件和原有的AOF文件所保存的数据库状态一样,但体积更小。
AOF重写是一个有歧义的名字,该功能是通过读取数据库中的键值对实现的,程序无须对现有的AOF文件进行任何读入、分析或者写入操作。
在执行BGREWRITEAOF命令时,Redis服务器会维护一个AOF重写缓冲区,该缓冲区会在子进程创建新AOF文件期间,记录服务器执行的所有命令。当子进程完成创建新AOF文件的工作之后,服务器会将重写缓冲区中的所有内容追加到新AOF文件的末尾,使得新旧两个AOF文件所保存的数据库状态一致。最后,服务器用新的AOF文件替换旧的AOF文件,以此来完成AOF文件的重写操作。