Redis持久化之RDB和AOF

Redis是一个键值对数据库服务器,由于Redis是内存数据库,那么有很多内存的特点,例如掉电易失,或者进程退出,服务器中的数据也将消失不见,所以需要一种方法将数据从内存中写到磁盘,这一过程称之为数据持久化。

持久化有两种方式,一种是RDB,操作手段是将数据从内存中写到磁盘,生成一个经过压缩的RDB文件,另一种持久化方式叫AOF,是把Redis执行的命令行逐句记录下来,追加在类似日志的文件中。

RDB持久化

Redis中有两个命令可以用来生成RDB文件,一个是SAVE,另一个是BGSAVE。

SAVE是线程阻塞的,当调用这个命令后,服务器不再对外提供服务,直到内存中需要存储的数据全都持久化为RDB文件。

bgsave与save不同,bgsave会创建一个子线程来完成数据持久化的任务,主服务器依旧对外提供服务。

无论是哪种方式,底层都是调用同一个函数rdb.c/rdbSave()来完成,下面是二者实现的伪代码:

def save():

	rdbSave()

def BGSAVE():

	# 创建子进程

	pid = fork()

        if pid == 0:

			# 子进程创建RDB文件

			rdbSave()

            # 完成之后向父进程发送信号

             signal_parent()

         if pid > 0

             # 父进程继续处理请求,并通过轮询等待子进程的信号

             handle_request_and_wait_signal()

         else:

			# 处理出错情况

			 handle_fork_error()

和创建RDB文件不同的是,RDB文件的载入是在服务器启动时自动执行的,所以Redis并没有专门用于载入RDB文件的命令,只要Redis服务器在启动时检测到RDB文件的存在,就会自动载入。

另外值得一提的是，因为AOF文件的更新频率通常比RDB文件的更新频率高，所以：如果服务器开启了AOF持久化功能，那么服务器会优先使用AOF文件来还原数据库状态。只有在AOF持久化功能处于关闭状态时，服务器才会使用RDB文件来还原数据库状态。

因为BGSAVE命令可以在不阻塞服务器进程的情况下执行，所以Redis允许用户通过设置服务器配置的save选项，让服务器每隔一段时间自动执行一次BGSAVE命令。也可以通过启动Redis服务器时,将这些配置信息保存进对应的.conf

如果持久化配置如下:

save 900 1

save 300 10

save 60 10000

那么只要满足以下三个条件中的任意一个，BGSAVE命令就会被执行：

服务器在900秒之内，对数据库进行了至少1次修改。

服务器在300秒之内，对数据库进行了至少10次修改。

服务器在60秒之内，对数据库进行了至少10000次修改。

RDB文件结构

db_version长度为4字节，它的值是一个字符串表示的整数，这个整数记录了RDB文件的版本号，比如"0006"就代表RDB文件的版本为第六版。本章只介绍第六版RDB文件的结构。

databases部分包含着零个或任意多个数据库，以及各个数据库中的键值对数据：如果服务器的数据库状态为空（所有数据库都是空的），那么这个部分也为空，长度为0字节。 ·如果服务器的数据库状态为非空（有至少一个数据库非空），那么这个部分也为非空，根据数据库所保存键值对的数量、类型和内容不同，这个部分的长度也会有所不同。

EOF常量的长度为1字节，这个常量标志着RDB文件正文内容的结束，当读入程序遇到这个值的时候，它知道所有数据库的所有键值对都已经载入完毕了。

check_sum是一个8字节长的无符号整数，保存着一个校验和，这个校验和是程序通过对REDIS、db_version、databases、EOF四个部分的内容进行计算得出的。服务器在载入RDB文件时，会将载入数据所计算出的校验和与check_sum所记录的校验和进行对比，以此来检查RDB文件是否有出错或者损坏的情况出现。

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服务器所执行的写命令来记录数据库状态的，如图所示:

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：

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日志：

[8321] 05 Sep 11:58:50.448 # Server started, Redisversion 2.9.11

[8321] 05 Sep 11:58:50.449 * DB loaded from append only file: 0.000 seconds

[8321] 05 Sep 11:58:50.449 * The server is now ready to accept connections on port 6379

AOF持久化流程

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

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，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下表所示:

`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appendfsync选项设置值，那么appendfsync选项的默认值为everysec

AOF存在的问题

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，才真正地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，从而确保写入数据的安全性。

AOF 持久化的效率和安全性

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 选项三个值当中最慢的一个，但从安全性来说， always 也是最安全的，因为即使出现故障停机， 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 缓冲区中的所有内容写入到 AOF 文件，并且每隔超过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重写

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。

为了解决AOF文件体积膨胀的问题，Redis提供了AOF文件重写（rewrite）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，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文件的体积要小得多。

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。

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。重写可以交给子线程。