Redis | 第5章 Redis 中的持久化技术《Redis设计与实现》

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@[TOC](第5章 Redis 中的持久化技术)

前言

参考资料：《Redis设计与实现 第二版》；

第二部分为单机数据库的实现，主要由以下模块组成：数据库、持久化、事件、客户端与服务器；

本篇将介绍 Redis 中的持久化技术，主要有两种：RDB持久化和AOF持久化；

1. RDB 持久化

1.1 RDB 文件的创建与载入

  • Redis使用 SAVE 和 BGSAVE 命令生成 RDB 文件；
    • SAVE：会阻塞 Redis 服务器进程，直到 RDB 文件创建完毕为止，阻塞期间服务器不能处理任何命令请求；
    • BGSAVE：会派生一个子进程，由指进程负责创建 RDB 文件，父进程继续处理命令请求。BGSAVE 执行期间，会发生以下特殊情况：
    • 在 BGSAVE 命令执行期间，客户端发送 SAVE 和 BGSAVE 命令会被服务器拒绝，防止产生竞争条件。客户端发送 BGREWRITEAOF 命令会被延迟；
    • 在 BGREWRITEAOF 命令执行期间，客户端发送 BGSAVE 命令会被服务器拒绝；
  • 创建 RDB 文件由 rdb.c/rdbSave 函数完成；
  • 载入 RDB 文件由 rdb.c/rdbLoad 函数完成；
  • RDB 文件的载入工作是在服务器启动时自动执行，只要 Redis 服务器在启动时检测到 RDB 文件存在，就会自动载入 RDB 文件；
  • AOF 文件的更新频率通常比 RDB 文件更新频率高：
    • 当服务器开启了 AOF 持久化功能时，会优先使用 AOF 文件还原数据库状态；
    • 当服务器关闭了 AOF 持久化功能时，才会使用 RDB 文件来还原数据库状态；
  • 服务器在载入 RDB 文件期间，会一直处于阻塞状态，直到载入工作完成为止；

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1.2 自动间隔性保存

1.2.1 设置保存条件

  • 服务器会根据 save 选项所设置的保存值，设置服务器状态 redisServer结构的 saveparams 属性；

  • redisServer 的结构定义：

    struct redisServer{
  //...
  //记录了保存条件的数组
  struct saveparam *saveparams;
  //
}
  • saveparams 属性是一个数组，每个 saveparam 结构保存了一个 save 设置的保存条件；
  • saveparam 的结构定义： 
    struct saveparam{
  //秒数
  time_t seconds;
  //修改值
  int changes;
}

1.2.2 dirty 计数器和 lastsave 属性

  • dirty 属性和 lastsave 属性在 redisServer 结构体里：

    struct redisServer{
  //...
  //修改计数器
  long long dirty;
  //上一次执行保存的时间
  time_t lastsave;
};
    • dirty 计数器记录距离上一次成功执行 SAVE 命令或者 BGNAME 命令之后，服务器对数据库状态进行了多少次修改；
    • lastsave 属性是一个 UNIX 时间戳，记录了服务器上一次成功执行 SAVE 命令或 BGSAVE 命令的时间；

1.2.3 检查保存条件是否满足

  • Redis 的服务器周期性操作函数 serverCron 默认每隔 100ms 会执行一次，其中包括检查 save 选项所设置的保存条件是否满足（遍历并检查 saveparams 数组中的所有保存条件），满足则执行 BGSAVE 命令；

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1.3 RDB 文件

1.3.1 RDB 的文件结构

  • RDB 文件结构的逻辑图：

  • 各个字段含义：

    字段 长度 储存值 说明
    REDIS 5字节 “REDIS” 在载入文件时，快速检查所载入的文件是否为 RDB 文件
    db_version 4字节 字符串表示的整数 RDB 文件的版本号
    databases 0个或任意多个数据库，以及数据库中的键值对数据
    EOP 1字节 EOP 常量 表示 RDB 文件正文内容的结束
    check_sum 8字节 无符号整数 前4个部分的校验和

1.3.2 database 的文件结构

  • database 为 RDB 文件的结构组成部分；
  • databases 部分的逻辑结构：

  • 各字段含义：

    字段 长度 存储值 说明
    SELECTDB 1字节 常量 表示接下来读入数据库号码
    db_number 1、2或5字节 数字 表示数据库号码
    key_value_pairs 长度不定 数据库所有的键值对数据

1.3.3 key_value_pairs 的文件结构

  • key_value_pairs 为 databases 的结构组成部分；有两种类型，一种不带过期时间，一种带过期时间；
  • key_value_pairs 部分的逻辑结构：

  • 各字段含义：

    字段 长度 存储值 说明
    EXPIRETIME_MS 1字节 数值 表示过期时间
    ms 8字节 数值 以毫秒为单位的 UNIX 时间戳
    TYPE 1字节 常量 代表一种对象类型或底层编码
    key 长度不定 字符串对象 表示键对象
    value 长度不定 各种对象 表示值对象

1.3.4 value 的编码

  • value 为 key_value_pairs 的结构组成成分；
  • value 值对象的结构和长度会根据 TYPE 类型的不同而不同；
  • value可以是字符串对象、列表对象、集合对象、哈希表对象、有序集合对象、INTSET编码的集合和ZIPLIST编码的列表、哈希表或有序集合；
  • value的格式与编码对应请见 《第3章 对象》1.1 对象的定义；
  • 字符串对象的格式与示例：
    • 字符串对象可分为：压缩字符串和无压缩字符串两种：

  • 列表与集合对象的格式：

  • 哈希表对象的格式：


  • 有序集合对象的格式：


  • INTSET 编码集合的格式：

    • 将整数集合转换成字符串即可；
  • ZIPLIST编码的列表、哈希表或有序集合的格式：
    • 将压缩列表转换成一个字符串对象，然后再保存到 RDB 文件；

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1.4 RDB 文件的示例

  • 不包含任何键值对的 RDB 文件：

    REDIS标识 db_version EOF标识 check_num
    REDIS 0006 377 334 263 c 360 z 334 362 v
    • 包含字符串键的 RDB 文件：
    REDIS标识 db_version SELECTDB db_number，0 号数据库 TYPE，\\0 表示字符串 key value EOF标识 check_num
    REDIS 0006 376 \\0 \\0 003 MSG 005 HELLO 377 207 z = 304 f T L 343

  • 包含带有过期时间的字符串键的 RDB 文件：

    REDIS标识 db_version SELECTDB 切换数据库 EXPIRETIME_MS ms TYPE，\\0 表示字符串 key value EOF标识 check_num
    REDIS 0006 376 \\0 374 \\ 2 365 336 @ 001 \\0 \\0 \\0 003 MSG 005 HELLO 377 212 231 x 247 252 } 021 306

  • 包含一个集合键的 RDB 文件：

    REDIS标识 db_version SELECTDB 切换数据库 常量 REDIS_RDB_TYPE_SET key 集合大小 第一个元素 第二个元素 第三个元素 EOF常量 check_num
    REDIS 0006 376 \\0 002 004 LANG 003 004 RUBY 004 JAVA 001 C 377 202 312 r 352 346 305 * 023

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2 AOF 持久化与 RDB 持久化的区别

  • AOF 持久化：保存 Redis 服务器所执行的命令来记录数据库状态；
  • RDB 持久化：保存数据库中的键值对来记录数据库状态不同；

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3. AOF 持久化

3.1 AOF 持久化的实现

  • AOF 持久化功能可分为：追加（append）、文件写入、文件同步（sync）三个步骤；
  • AOF 文件中的所有命令都以 Redis 命令请求协议的格式保存；

  • 当 AOF 持久化功能打开时，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 文件的写入与同步依赖事件循环 loop，每次循环主要有三个工作：

    • 处理文件事件：负责接收客户端的命令请求，以及向客户端发送命令回复；
    • 处理时间事件：执行需要定时运行的函数；
    • flushAppendOnlyFile()：考虑是否将 aof_buf 中的内容追加到 AOF 文件中；

  • flushAppendOnlyFile() 函数的行为由服务器配置的 appendfsync 选项的值决定，该值有三种不同的行为：

    appendfsync 选项的值 flushAppendOnlyFile 函数的行为 效率与安全性
    always 将 aof_buf 缓冲区中的所有内容写入并同步到 AOF 文件 效率最慢，安全性最高
    everysec 将 aof_buf 缓冲区中的所有内容写入并同步到 AOF 文件，如果上次同步 AOF 文件的事件距离现在超过 1s ，则对再次 AOF 文件进行同步，并且这个同步由一个线程专门负责 效率高
    no 将 aof_buf 缓冲区中的所有内容写入到 AOF 文件，但不对 AOF 文件进行同步，何时同步由操作系统决定 效率最高，安全性最低

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3.2 AOF 文件的载入与数据还原

  • 服务器创建一个不带网络连接的伪客户（fake client），伪客户端读入并执行 AOF 文件即可；

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3.3 AOF 重写

  • AOF 重写不需要对现有 AOF 文件进行任何读取、分析或写入操作，而是通过读取服务器当前数据库状态实现；
  • AOF 重写功能的实现原理：从数据库读取键现在的值，然后用一条命令记录键值对，代替之前记录这个键值对的多条命令；

  • 为了避免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、有序集合这四种键时，会检查元素数量，超过一定数量（64）时会使用多条命令记录这个键的情况；

    • 这个数量由常量 redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD 确定；

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3.4 AOF 后台重写

  • AOF 重写需要解决2个问题：
    • 重写不能阻碍服务器处理客户端请求：使用子进程解决；
    • 子进程在 AOF 重写期间，父进程服务器对数据库状态进行修改，会使服务器当前状态与重写后 AOF 状态不一致：设置AOF 重写缓冲区解决；
  • Redis 将 AOF 重写程序放到子进程里执行：
    • 子进程进行 AOF 重写期间，服务器进程（父进程）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，避免使用锁的情况下保证数据安全；

  • Redis 服务器设置一个 AOF 重写缓冲区，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；
  • 子进程完成 AOF 重写工作后，向父进程发送一个信号，父进程接到信号后调用信号处理函数，执行以下工作：
    • 将 AOF 重写缓冲区中的所有内容写入到新 AOF 文件，此时新 AOF 文件保存的数据库状态将与服务器当前的数据库状态一致；
    • 对新的 AOF 文件进行改名，原子地覆盖现有的 AOF 文件，完成新旧两个 AOF 文件的替换；
  • 只有号处理函数执行时会对服务器进程（父进程）造成阻塞；


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最后

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