折腾Redis之AOF持久化

Author：带翅膀的猫
发布时间：September 18, 2020
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Categories： Redis

除了RDB持久化功能外，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。
请输入图片描述

默认AOF持久化是关闭的，修改配置文件开启：appendonly yes。生成的.aof文件默认名为appendonly.aof。

127.0.0.1:6379> SET name catwing
OK
127.0.0.1:6379> SADD fruits "apple" "banana" "cherry"
(integer) 3

被写入AOF文件的所偶有命令都是以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，所我们可以直接打开一个AOF文件。

*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$1\r\n0\r\n
*3\r\n$3\r\nSET\r\n$4\r\nname\r\n$7\r\ncatwing\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

在这个AOF文件中，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写命令。

AOF持久化的实现

AOF持久化功能的实现可以分为命令追加(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：

struct redisServer {
    ...
    //AOF缓冲区
    sds aof_buf;      /* AOF buffer, written before entering the event loop */
    ...
}

AOF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。

服务器在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，这个过程伪代码如下：

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aofbuf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。默认选项值为everysec。
请输入图片描述

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，并且就算出现故降停机，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流程图如下：
请输入图片描述

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的流逝，AOF文件中的内容会越来越多，文件的体积会越来越大，如果不加以控制的话，体积大的AOF文件很有可能对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。

127.0.0.1:6379> RPUSH list "A" "B"
(integer) 2
127.0.0.1:6379> RPUSH list "C"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> RPUSH list "D" "E"
(integer) 5
127.0.0.1:6379> LPOP list
"A"
127.0.0.1:6379> LPOP list
"B"
127.0.0.1:6379> RPUSH list "F" "G"
(integer) 5

如上代码所示，为了记录这个list，AOF就需要保存6条命令。而实际开发过程中写命令的执行次数是远远高的多的。
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文件来代替现有的AOF文件，新旧两个AOF文件所保存的数据库状态相同，当新的AOF文件不会包含任何浪费空间的冗余命令，所以新的AOF文件的体积通常要比旧AOF文件的体积小的多。

AOF文件重写实现

      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。
      如果没有进行AOF重写，为了保存list需要使用六条命令，如果服务器想要用尽量少的命令来记录list，那么最简单高效的办法不是去读取和分析现有的AOF的内容，而是直接从数据库中读取list的值，然后用一条指令RPUSH list "C" "D" "E" "F" "G"来代替原来的六条指令。
      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)

        #遍历数据库中的所有键
        for key in db:
            #忽略已过期的键
            if key.is_expired():continue
            
            #根据键的类型对键进行重写
            if key.type == String:
                rewrite_string(key)
            elif key.type == List:
                rewrite_list(key)
            elif key.type == Hash:
                rewrite_hash(key)
            elif key.type == Set:
                rewrite_set(key)
            elif 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SE”命令重写字符串键
    f.write_command(SET,key,value)

def rewrite_list(key):
    #使用LRANGE命令获取列表键包含的所有元素
    iteml,item2,.…,itemN=LRANGE(key,0,-1)
    #使用RPUS日命令重写列表键
    f.write_command(RPUSH,key,item1,item2,...,itermN)

def rewrite_hash(key):
    #使用HGETALL命令获取哈希键包含的所有键值对
    field1,valuel,field2,value2,...,fieldN,valueN=HGETALL(key)
    #使用HMSET命令重写哈希键
    f.write command(HMSET,key,field1,valuel,field2,value2,...,fieldN,valueN)

def rewrite set(key)；
    #使用SMEMBERS命令获取集合键包含的所有元素
    elem1,elem2,...,elemN=SMEMBERS(key)
    #使用SADD命令重写集合键
    f.write command(SADD,key,eleml,elem2,...,elemN)

def rewrite sorted_set(key):
    #使用ERANGE命令获取有序集合键包含的所有元素
    member1,scorel,member2,score2,...,memberN,scoreN=ZRANGE(key,0,-1,"WITHSCORES")
    #使用ZADD命令重写有序集合键
    f.write command(ADD,key,scorel,memberl,score2,member2,...,scoreN,memberN)

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PEXPIREA”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文件不会浪费任何硬盘空间。

注意

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，如果元素的教量超过了redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PERCMD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3.x版本中，REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PERCMD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，并且每条命令设置的元素数量也为64个。

AOF后台重写

为了避免在重写AOF文件期间服务器无法处理客户端请求的这一弊端，Redis决定将AOF重写程序放到子进程里执行。
不过，使用子进程也有一个问题亟待解决，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。
请输入图片描述

AOF文件重写完后，AOF文件中只有k1，而服务器数据库却有k1,k2,k3,k4四个键。
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。
请输入图片描述

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。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后会执行以下工作：

将AOF重写缓冲区中的所有内容写入到新的AOF文件中，保证AOF文件的数据和数据库中的数据一致
对新的AOF文件进行重命名，原子地覆盖现有的AOF文件，完成新旧文件的替换

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。
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来实现的，程序无须对现有AOF文件进行任何读入、分析或者写人操作。
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写命令。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文件重写操作。

版权属于：带翅膀的猫
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转载时须注明出处及本声明

Last modification：September 18th, 2020 at 11:28 pm

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折腾Redis之AOF持久化

带翅膀的猫 • 2020 年 09 月 18 日

默认AOF持久化是关闭的，修改配置文件开启：appendonly yes。生成的.aof文件默认名为appendonly.aof。

127.0.0.1:6379> SET name catwing
OK
127.0.0.1:6379> SADD fruits "apple" "banana" "cherry"
(integer) 3

被写入AOF文件的所偶有命令都是以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，所我们可以直接打开一个AOF文件。

*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$1\r\n0\r\n
*3\r\n$3\r\nSET\r\n$4\r\nname\r\n$7\r\ncatwing\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

在这个AOF文件中，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写命令。

AOF持久化的实现

AOF持久化功能的实现可以分为命令追加(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：

struct redisServer {
    ...
    //AOF缓冲区
    sds aof_buf;      /* AOF buffer, written before entering the event loop */
    ...
}

AOF文件的写入与同步

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aofbuf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。默认选项值为everysec。
请输入图片描述

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，并且就算出现故降停机，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

AOF重写

127.0.0.1:6379> RPUSH list "A" "B"
(integer) 2
127.0.0.1:6379> RPUSH list "C"
(integer) 3
127.0.0.1:6379> RPUSH list "D" "E"
(integer) 5
127.0.0.1:6379> LPOP list
"A"
127.0.0.1:6379> LPOP list
"B"
127.0.0.1:6379> RPUSH list "F" "G"
(integer) 5

AOF文件重写实现

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)

        #遍历数据库中的所有键
        for key in db:
            #忽略已过期的键
            if key.is_expired():continue
            
            #根据键的类型对键进行重写
            if key.type == String:
                rewrite_string(key)
            elif key.type == List:
                rewrite_list(key)
            elif key.type == Hash:
                rewrite_hash(key)
            elif key.type == Set:
                rewrite_set(key)
            elif 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SE”命令重写字符串键
    f.write_command(SET,key,value)

def rewrite_list(key):
    #使用LRANGE命令获取列表键包含的所有元素
    iteml,item2,.…,itemN=LRANGE(key,0,-1)
    #使用RPUS日命令重写列表键
    f.write_command(RPUSH,key,item1,item2,...,itermN)

def rewrite_hash(key):
    #使用HGETALL命令获取哈希键包含的所有键值对
    field1,valuel,field2,value2,...,fieldN,valueN=HGETALL(key)
    #使用HMSET命令重写哈希键
    f.write command(HMSET,key,field1,valuel,field2,value2,...,fieldN,valueN)

def rewrite set(key)；
    #使用SMEMBERS命令获取集合键包含的所有元素
    elem1,elem2,...,elemN=SMEMBERS(key)
    #使用SADD命令重写集合键
    f.write command(SADD,key,eleml,elem2,...,elemN)

def rewrite sorted_set(key):
    #使用ERANGE命令获取有序集合键包含的所有元素
    member1,scorel,member2,score2,...,memberN,scoreN=ZRANGE(key,0,-1,"WITHSCORES")
    #使用ZADD命令重写有序集合键
    f.write command(ADD,key,scorel,memberl,score2,member2,...,scoreN,memberN)

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PEXPIREA”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文件不会浪费任何硬盘空间。

注意

AOF后台重写

将AOF重写缓冲区中的所有内容写入到新的AOF文件中，保证AOF文件的数据和数据库中的数据一致
对新的AOF文件进行重命名，原子地覆盖现有的AOF文件，完成新旧文件的替换

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。
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来实现的，程序无须对现有AOF文件进行任何读入、分析或者写人操作。
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写命令。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文件重写操作。

版权属于：带翅膀的猫
本文链接：https://www.chengpengper.cn/archives/122/
转载时须注明出处及本声明

折腾Redis之AOF持久化

AOF持久化的实现

命令追加

AOF文件的写入与同步

AOF持久化的效率和安全性

AOF文件的载入与数据还原

AOF重写

AOF文件重写实现

注意

AOF后台重写

重点回顾

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命令追加

AOF文件的写入与同步

AOF持久化的效率和安全性

AOF文件的载入与数据还原

AOF重写

AOF文件重写实现

注意

AOF后台重写

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