Redis-AOF持久化

概述

RDB持久化通过保存数据库中的键值对来记录数据库状态
AOF通过Redis服务器所执行的写命令来记录数据库状态

比如,空白的数据库执行以下命令:

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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文件来观察里面的内容

比如,对于上面的三个写命令来说,服务器将产生包涵一下内容的AOF文件:

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*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\n123\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

AOF持久化的实现

AOF持久化功能的实现可以分为命令追加,文件写入,文件同步三个步骤

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,回忆协议格式将被执行的谢明令追加到服务器状态的aof_buf缓冲区的末尾

AOF文件的写入与同步

Redis的服务器进程就是一个时间循环(loop),这个循环中的时间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,所以服务器每次结束一个事件循环,它都会调用flushAppendOnlyFile函数,考虑是否将aof_buf缓冲区中的内容写入或保存到AOF文件里面.

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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中
processFileEvents()

# 处理时间事件
processTimeEvents()

# 考虑是否将aof_buf中俄内容写入和保存到APF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,各个不同值代表的行为:

appendfsync选项值 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(默认) 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,那么在此对AOF文件进行同步,并且这个同步操作是有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,何时同步由系统决定

文件的写入与同步
为了提高文件写入的效率,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,等到缓冲区的时间被填满,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
如果极端及发生停机的话,缓冲区里的数据将会消失.

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

  • always
    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失效率最慢的,但也是最安全的,因为即使出现故障停机,AOF持久化也只会丢失一个时间循环中所产生的的命令数据
  • everysec
    效率:足够快,就算出现故障停机,数据库只会丢掉1秒钟的命令数据
  • no
    效率:最快,安全:我谔谔

AOF文件的载入与数据还原

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
    因为Redis的命令只能在客户端上下文中执行,而载入AOF问件事所使用的命令直接来源于AOF文件而不是网络连接,所有服务器使用了一个没有网络连接的伪客户端来执行AOF文件保存的谢明令,伪客户端执行命令的效果和带网络连接的客户端执行命令的效果完全一样
  2. 从AOF文件中分析并读取一条写命令
  3. 使用伪客户端执行被独处的写命令
  4. 不断重复2和3,知道AOF文件中的所有写命令都被处理完毕为止

AOF重写

随着服务器运行时间的流逝,AOF文件中的内容会越来越多,文件体积也会越来越大,如果不加以控制,体积过大的AOF文件很可能会对Redis服务器甚至整个宿主计算机造成影响,并且使用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.

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数据库状态来实现的

AOF后台重写

Redis将AOF重写程序放到子进程里面执行,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

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.
为结局这种数据不一致的问题,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服务器执行完一个命令之后,它会同时将这个写命令发送给AOF缓冲区与AOF重写缓冲区.
这样一来可以保证:

  • AOF缓冲区的内容会被定期写入和同步到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重写工作执行,它会想主进程发送一个信号,主进程在接受到信号后,会调用一个信号处理函数:

  • 将AOF重写缓冲区中的所有内容写入到新AOF文件中
  • 对新AOF文件进行改名,覆盖现有的AOF文件,完成新旧AOF文件的替换

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
  • 服务器载入并重新执行保存在AOF文件中的命令来还原数据库原本的状态
  • 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
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