Redis原理之持久化

5.3 持久化

Redis 的数据全部在内存中，如果突然宕机，数据就会全部丢失，因此必须有一种机制来保证 Redis 的数据不会因为故障而丢失，这种机制就是 Redis 的持久化机制。

Redis 持久化机制有两种，第一种是快照，第二种是AOF日志。

RDB 将数据库的快照（snapshot）以二进制的方式保存到磁盘中。
AOF 则以协议文本的方式，将所有对数据库进行过写入的命令（及其参数）记录到 AOF 文件，以此达到记录数据库状态的目的。

AOF 日志在长期的运行过程中会变的无比庞大，数据库重启时需要加载 AOF 日志进行指令重放，这个时间就会无比漫长。所以需要定期进行AOF重写，给AOF日志进行瘦身。

5.3.1 快照

我们都知道 Redis 是单线程程序，这个线程要同时负责多个客户端套接字的并发读写操作和内存数据结构的逻辑读写。在服务线上请求的同时，Redis 如果还需要进行内存快照（需要使用文件IO操作），那就很难保持不堵塞。除此之外，持久化的同时，内存数据结构还在改变。这如何应对？

Redis 使用操作系统的多进程 COW (copy on write) 机制来实现快照持久化。

Redis 在持久化时会调用 glibc 的函数 fork 产生一个子进程，快照持久化完全交给子进程来处理，父进程继续处理客户端请求。子进程刚刚产生时，它和父进程共享内存里面的代码段和数据段。（这是Linux为节约内存资源，所以让其共享起来，在子进程创建时，内存增长几乎没有明显变化）

子进程做数据持久化，它不会修改现有的内存数据结构，它只是对数据结构进行遍历读取，然后序列化写入到磁盘。但是父进程不一样，它必须持续接受客户端请求，然后对内存数据结构进行不间断修改。

这时候就会使用操作系统的 COW 机制来进行数据段页面的分离。数据段页面是由很多操作系统的页面组合而成，当父进程对其中一个页面的数据进行修改时，会将被共享的页面复制一份分离出来，然后对这个复制的页面进行修改。这时子进程相应的页面是没有变化的，还是进程产生时那一瞬间的数据。

随着父进程修改操作的持续进行，越来越多的共享页面被分离出来，内存就会持续增长。但是也不会超过原有数据内存的2倍大小。另一个Redis实例里冷数据占的比例往往是比较高的，所以很少会出现所有的页面都会被分离，被分离的往往只有其中一部分页面。每个页面的大小只有 4k，一个 Redis 实例里面一般都会有成千上万的页面。

子进程因为数据没有变化，它能看到的内存里的数据在进程产生的那一瞬间就凝固了，再也不会改变，这也是为什么 Redis 的持久化叫快照的原因。

5.3.2 AOF的写入

Redis 将所有对数据库进行过写入的命令（及其参数）记录到 AOF 文件，以此达到记录数据库状态的目的，为了方便起见，我们称呼这种记录过程为同步。

举个例子，如果执行以下命令：

redis> RPUSH list 1 2 3 4
(integer) 4redis> LRANGE list 0 -1
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"redis> KEYS *
1) "list"redis> RPOP list
"4"redis> LPOP list
"1"redis> LPUSH list 1
(integer) 3redis> LRANGE list 0 -1
1) "1"
2) "2"
3) "3"

那么其中四条对数据库有修改的写入命令就会被同步到 AOF 文件中

除了 SELECT 命令是 AOF 程序自己加上去的之外，其他命令都是之前我们在终端里执行的命令。

同步命令到 AOF 文件的整个过程可以分为三个阶段：

命令传播：Redis 将执行完的命令、命令的参数、命令的参数个数等信息发送到 AOF 程序中。
缓存追加：AOF 程序根据接收到的命令数据，将命令转换为网络通讯协议的格式，然后将协议内容追加到服务器的 AOF 缓存中。
文件写入和保存：AOF 缓存中的内容被写入到 AOF 文件末尾，如果设定的 AOF 保存条件被满足的话， fsync 函数或者 fdatasync 函数会被调用，将写入的内容真正地保存到磁盘中。

以下几个小节将详细地介绍这三个步骤。

命令传播

当一个 Redis 客户端需要执行命令时，它通过网络连接，将协议文本发送给 Redis 服务器。比如说，要执行命令 SET KEY VALUE ，客户端将向服务器发送文本 "*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nKEY\r\n$5\r\nVALUE\r\n" 。

服务器在接到客户端的请求之后，它会根据协议文本的内容，选择适当的命令函数，并将各个参数从字符串文本转换为 Redis 字符串对象（StringObject）。

比如说，针对上面的 SET 命令例子， Redis 将客户端的命令指针指向实现 SET 命令的 setCommand 函数，并创建三个 Redis 字符串对象，分别保存 SET 、 KEY 和 VALUE 三个参数（命令也算作参数）。

每当命令函数成功执行之后，命令参数都会被传播到 AOF 程序，以及 REPLICATION 程序（本节不讨论这个，列在这里只是为了完整性的考虑）。

缓存追加

当命令被传播到 AOF 程序之后，程序会根据命令以及命令的参数，将命令从字符串对象转换回原来的协议文本。

比如说，如果 AOF 程序接受到的三个参数分别保存着 SET 、 KEY 和 VALUE 三个字符串，那么它将生成协议文本 "*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nKEY\r\n$5\r\nVALUE\r\n" 。

协议文本生成之后，它会被追加到 redis.h/redisServer 结构的 aof_buf 末尾。

redisServer 结构维持着 Redis 服务器的状态， aof_buf 域则保存着所有等待写入到 AOF 文件的协议文本：

文件写入和保存

每当服务器常规任务函数被执行、或者事件处理器被执行时， aof.c/flushAppendOnlyFile 函数都会被调用，这个函数执行以下两个工作：

WRITE：根据条件，将 aof_buf 中的缓存写入到 AOF 文件。

SAVE：根据条件，调用 fsync 或 fdatasync 函数，将 AOF 文件保存到磁盘中。

两个步骤都需要根据一定的条件来执行，而这些条件由 AOF 所使用的保存模式来决定，以下小节就来介绍 AOF 所使用的三种保存模式，以及在这些模式下，步骤 WRITE 和 SAVE 的调用条件。

AOF 保存模式

Redis 目前支持三种 AOF 保存模式，它们分别是：

AOF_FSYNC_NO ：不保存

在这种模式下，每次调用 flushAppendOnlyFile 函数， WRITE 都会被执行，但 SAVE 会被略过。

在这种模式下， SAVE 只会在以下任意一种情况中被执行：
- Redis 被关闭
- AOF 功能被关闭
- 系统的写缓存被刷新（可能是缓存已经被写满，或者定期保存操作被执行）
这三种情况下的 SAVE 操作都会引起 Redis 主进程阻塞。
AOF_FSYNC_EVERYSEC ：每一秒钟保存一次。

在这种模式中， SAVE 原则上每隔一秒钟就会执行一次，因为 SAVE 操作是由后台子线程调用的，所以它不会引起服务器主进程阻塞。

注意，在上一句的说明里面使用了词语“原则上”，在实际运行中，程序在这种模式下对 fsync 或 fdatasync 的调用并不是每秒一次，它和调用 flushAppendOnlyFile 函数时 Redis 所处的状态有关。

每当 flushAppendOnlyFile 函数被调用时，可能会出现以下四种情况：
- 子线程正在执行 SAVE ，并且：
  1. 这个 SAVE 的执行时间未超过 2 秒，那么程序直接返回，并不执行 WRITE 或新的 SAVE 。
  2. 这个 SAVE 已经执行超过 2 秒，那么程序执行 WRITE ，但不执行新的 SAVE 。注意，因为这时 WRITE 的写入必须等待子线程先完成（旧的） SAVE ，因此这里 WRITE 会比平时阻塞更长时间。
- 子线程没有在执行 SAVE ，并且：
  1. 上次成功执行 SAVE 距今不超过 1 秒，那么程序执行 WRITE ，但不执行 SAVE 。
  2. 上次成功执行 SAVE 距今已经超过 1 秒，那么程序执行 WRITE 和 SAVE 。

根据以上说明可以知道，在“每一秒钟保存一次”模式下，如果在情况 1 中发生故障停机，那么用户最多损失小于 2 秒内所产生的所有数据。

如果在情况 2 中发生故障停机，那么用户损失的数据是可以超过 2 秒的。

Redis 官网上所说的， AOF 在“每一秒钟保存一次”时发生故障，只丢失 1 秒钟数据的说法，实际上并不准确。

AOF_FSYNC_ALWAYS ：每执行一个命令保存一次。

在这种模式下，每次执行完一个命令之后， WRITE 和 SAVE 都会被执行。

另外，因为 SAVE 是由 Redis 主进程执行的，所以在 SAVE 执行期间，主进程会被阻塞，不能接受命令请求。

总结：

模式	WRITE 是否阻塞？	SAVE 是否阻塞？	停机时丢失的数据量
`AOF_FSYNC_NO`	阻塞	阻塞	操作系统最后一次对 AOF 文件触发 SAVE 操作之后的数据。
`AOF_FSYNC_EVERYSEC`	阻塞	不阻塞	一般情况下不超过 2 秒钟的数据。
`AOF_FSYNC_ALWAYS`	阻塞	阻塞	最多只丢失一个命令的数据。

5.3.3 AOF 文件的读取和数据还原

AOF 文件保存了 Redis 的数据库状态，而文件里面包含的都是符合 Redis 通讯协议格式的命令文本。

这也就是说，只要根据 AOF 文件里的协议，重新执行一遍里面指示的所有命令，就可以还原 Redis 的数据库状态了。

Redis 读取 AOF 文件并还原数据库的详细步骤如下：

创建一个不带网络连接的伪客户端（fake client）。
读取 AOF 所保存的文本，并根据内容还原出命令、命令的参数以及命令的个数。
根据命令、命令的参数和命令的个数，使用伪客户端执行该命令。
执行 2 和 3 ，直到 AOF 文件中的所有命令执行完毕。

完成第 4 步之后， AOF 文件所保存的数据库就会被完整地还原出来。

注意，因为 Redis 的命令只能在客户端的上下文中被执行，而 AOF 还原时所使用的命令来自于 AOF 文件，而不是网络，所以程序使用了一个没有网络连接的伪客户端来执行命令。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。

5.3.4 AOF 重写

AOF 文件通过同步 Redis 服务器所执行的命令，从而实现了数据库状态的记录，但是，这种同步方式会造成一个问题：随着运行时间的流逝， AOF 文件会变得越来越大。

举个例子，如果服务器执行了以下命令：

RPUSH list 1 2 3 4      // [1, 2, 3, 4]RPOP list               // [1, 2, 3]LPOP list               // [2, 3]LPUSH list 1            // [1, 2, 3]

那么光是记录 list 键的状态， AOF 文件就需要保存四条命令。而实质上，我们其实只要保存 list 最新状态的内存数据，就可以。

另一方面，有些被频繁操作的键，对它们所调用的命令可能有成百上千、甚至上万条，如果这样被频繁操作的键有很多的话， AOF 文件的体积就会急速膨胀，对 Redis 、甚至整个系统的造成影响。

为了解决以上的问题， Redis 需要对 AOF 文件进行重写（rewrite）：创建一个新的 AOF 文件来代替原有的 AOF 文件，新 AOF 文件和原有 AOF 文件保存的数据库状态完全一样，但新 AOF 文件的体积小于等于原有 AOF 文件的体积。

AOF 重写的实现

所谓的“重写”其实是一个有歧义的词语，实际上， AOF 重写并不需要对原有的 AOF 文件进行任何写入和读取，它针对的是数据库中键的当前值。

如同上面对 list 进行的四个操作后，那么当前列表键在 Redis里的值就为 [1,2,3]。如果我们要保存这个列表的当前状态，并且尽量减少所使用的命令数，那么最简单的方式不是去 AOF 文件上分析前面执行的四条命令，而是直接读取 list 键在数据库的当前值，然后用一条 RPUSH 1 2 3 命令来代替前面的四条命令。

除了列表和集合之外，字符串、有序集、哈希表等键也可以用类似的方法来保存状态，并且保存这些状态所使用的命令数量，比起之前建立这些键的状态所使用命令的数量要大大减少。

AOF 后台重写

上一节展示的 AOF 重写程序可以很好地完成创建一个新 AOF 文件的任务，但是，在执行这个程序的时候，调用者线程会被阻塞。

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（后台）子进程里执行，这样处理的最大好处是：

子进程进行 AOF 重写期间，主进程可以继续处理命令请求。
子进程带有主进程的数据副本，使用子进程而不是线程，可以在避免锁的情况下，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，主进程还需要继续处理命令，而新的命令可能对现有的数据进行修改，这会让当前数据库的数据和重写后的 AOF 文件中的数据不一致。

为了解决这个问题， Redis 增加了一个 AOF 重写缓存，这个缓存在 fork 出子进程之后开始启用， Redis 主进程在接到新的写命令之后，除了会将这个写命令的协议内容追加到现有的 AOF 文件之外，还会追加到这个缓存中。

换言之，当子进程在执行 AOF 重写时，主进程需要执行以下三个工作：

处理命令请求。
将写命令追加到现有的 AOF 文件中。
将写命令追加到 AOF 重写缓存中。

这样一来可以保证：

现有的 AOF 功能会继续执行，即使在 AOF 重写期间发生停机，也不会有任何数据丢失。
所有对数据库进行修改的命令都会被记录到 AOF 重写缓存中。

当子进程完成 AOF 重写之后，它会向父进程发送一个完成信号，父进程在接到完成信号之后，会调用一个信号处理函数，并完成以下工作：

将 AOF 重写缓存中的内容全部写入到新 AOF 文件中。
对新的 AOF 文件进行改名，覆盖原有的 AOF 文件。

当步骤 1 执行完毕之后，现有 AOF 文件、新 AOF 文件和数据库三者的状态就完全一致了。

当步骤 2 执行完毕之后，程序就完成了新旧两个 AOF 文件的交替。

这个信号处理函数执行完毕之后，主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，只有最后的写入缓存和改名操作会造成主进程阻塞，在其他时候， AOF 后台重写都不会对主进程造成阻塞，这将 AOF 重写对性能造成的影响降到了最低。