Redis AOF 持久化詳解_ZenDei技術網路在線

AOF( append only file )持久化以獨立日誌的方式記錄每次寫命令，併在 Redis 重啟時在重新執行 AOF 文件中的命令以達到恢複數據的目的。AOF 的主要作用是解決數據持久化的實時性 ...

Redis 是一種記憶體資料庫，將數據保存在記憶體中，讀寫效率要比傳統的將數據保存在磁碟上的資料庫要快很多。但是一旦進程退出，Redis 的數據就會丟失。

為瞭解決這個問題，Redis 提供了 RDB 和 AOF 兩種持久化方案，將記憶體中的數據保存到磁碟中，避免數據丟失。RDB的介紹在這篇文章中《Redis RDB 持久化詳解》，今天我們來看一下 AOF 相關的原理。

AOF( append only file )持久化以獨立日誌的方式記錄每次寫命令，併在 Redis 重啟時在重新執行 AOF 文件中的命令以達到恢複數據的目的。AOF 的主要作用是解決數據持久化的實時性。

RDB 和 AOF

antirez 在《Redis 持久化解密》一文中講述了 RDB 和 AOF 各自的優缺點：

RDB 是一個緊湊壓縮的二進位文件，代表 Redis 在某個時間點上的數據備份。非常適合備份，全量複製等場景。比如每6小時執行 bgsave 備份，並把 RDB 文件拷貝到遠程機器或者文件系統中，用於災難恢復。
Redis 載入 RDB 恢複數據遠遠快於 AOF 的方式
RDB 方式數據沒辦法做到實時持久化，而 AOF 方式可以做到。

下麵，我們就來瞭解一下 AOF 是如何做到實時持久化的。

AOF 持久化的實現

示意圖

如上圖所示，AOF 持久化功能的實現可以分為命令追加( append )、文件寫入( write )、文件同步( sync )、文件重寫(rewrite)和重啟載入(load)。其流程如下：

所有的寫命令會追加到 AOF 緩衝中。
AOF 緩衝區根據對應的策略向硬碟進行同步操作。
隨著 AOF 文件越來越大，需要定期對 AOF 文件進行重寫，達到壓縮的目的。
當 Redis 重啟時，可以載入 AOF 文件進行數據恢復。

命令追加

當 AOF 持久化功能處於打開狀態時，Redis 在執行完一個寫命令之後，會以協議格式(也就是RESP，即 Redis 客戶端和伺服器交互的通信協議 )將被執行的寫命令追加到 Redis 服務端維護的 AOF 緩衝區末尾。

比如說 SET mykey myvalue 這條命令就以如下格式記錄到 AOF 緩衝中。

"*3\r\n$3\r\nSET\r\n$5\r\nmykey\r\n$7\r\nmyvalue\r\n"

Redis 協議格式本文不再贅述，AOF之所以直接採用文本協議格式，是因為所有寫入命令都要進行追加操作，直接採用協議格式，避免了二次處理開銷。

文件寫入和同步

Redis 每次結束一個事件迴圈之前，它都會調用 flushAppendOnlyFile 函數，判斷是否需要將 AOF 緩存區中的內容寫入和同步到 AOF 文件中。

flushAppendOnlyFile 函數的行為由 redis.conf 配置中的 appendfsync 選項的值來決定。該選項有三個可選值，分別是 always、 everysec 和 no：

always：Redis 在每個事件迴圈都要將 AOF 緩衝區中的所有內容寫入到 AOF 文件，並且同步 AOF 文件，所以 always 的效率是 appendfsync 選項三個值當中最差的一個，但從安全性來說，也是最安全的。當發生故障停機時，AOF 持久化也只會丟失一個事件迴圈中所產生的命令數據。
everysec：Redis 在每個事件迴圈都要將 AOF 緩衝區中的所有內容寫入到 AOF 文件中，並且每隔一秒就要在子線程中對 AOF 文件進行一次同步。從效率上看，該模式足夠快。當發生故障停機時，只會丟失一秒鐘的命令數據。
no：Redis 在每一個事件迴圈都要將 AOF 緩衝區中的所有內容寫入到 AOF 文件。而 AOF 文件的同步由操作系統控制。這種模式下速度最快，但是同步的時間間隔較長，出現故障時可能會丟失較多數據。

Linux 系統下 write 操作會觸發延遲寫( delayed write )機制。Linux 在內核提供頁緩存區用來提供硬碟 IO 性能。 write 操作在寫入系統緩衝區之後直接返回。同步硬碟操作依賴於系統調度機制，例如：緩衝區頁空間寫滿或者達到特定時間周期。同步文件之前，如果此時系統故障宕機，緩衝區內數據將丟失。

而 fsync 針對單個文件操作，對其進行強制硬碟同步， fsync 將阻塞直到寫入磁碟完成後返回，保證了數據持久化。

appendfsync的三個值代表著三種不同的調用 fsync的策略。調用 fsync周期越頻繁，讀寫效率就越差，但是相應的安全性越高，發生宕機時丟失的數據越少。

有關 Linux 的I/O和各個系統調用的作用如下圖所示。具體內容可以查看《聊聊 Linux I/O》一文。

示意圖

AOF 數據恢復

AOF 文件裡邊包含了重建 Redis 數據所需的所有寫命令，所以 Redis 只要讀入並重新執行一遍 AOF 文件裡邊保存的寫命令，就可以還原 Redis 關閉之前的狀態。

示意圖

Redis 讀取 AOF 文件並且還原資料庫狀態的詳細步驟如下：

創建一個不帶網路連接的的偽客戶端( fake client)，因為 Redis 的命令只能在客戶端上下文中執行，而載入 AOF 文件時所使用的的命令直接來源於 AOF 文件而不是網路連接，所以伺服器使用了一個沒有網路連接的偽客戶端來執行 AOF 文件保存的寫命令，偽客戶端執行命令的效果和帶網路連接的客戶端執行命令的效果完全一樣的。
從 AOF 文件中分析並取出一條寫命令。
使用偽客戶端執行被讀出的寫命令。
一直執行步驟 2 和步驟3，直到 AOF 文件中的所有寫命令都被處理完畢為止。

當完成以上步驟之後，AOF 文件所保存的資料庫狀態就會被完整還原出來。

AOF 重寫

因為 AOF 持久化是通過保存被執行的寫命令來記錄 Redis 狀態的，所以隨著 Redis 長時間運行，AOF 文件中的內容會越來越多，文件的體積也會越來越大，如果不加以控制的話，體積過大的 AOF 文件很可能對 Redis 甚至宿主電腦造成影響。

為瞭解決 AOF 文件體積膨脹的問題，Redis 提供了 AOF 文件重寫( rewrite) 功能。通過該功能，Redis 可以創建一個新的 AOF 文件來替代現有的 AOF 文件。新舊兩個 AOF 文件所保存的 Redis 狀態相同，但是新的 AOF 文件不會包含任何浪費空間的榮譽命令，所以新 AOF 文件的體積通常比舊 AOF 文件的體積要小得很多。

示意圖

如上圖所示，重寫前要記錄名為 list的鍵的狀態，AOF 文件要保存五條命令，而重寫後，則只需要保存一條命令。

AOF 文件重寫並不需要對現有的 AOF 文件進行任何讀取、分析或者寫入操作，而是通過讀取伺服器當前的資料庫狀態來實現的。首先從資料庫中讀取鍵現在的值，然後用一條命令去記錄鍵值對，代替之前記錄這個鍵值對的多條命令，這就是 AOF 重寫功能的實現原理。

在實際過程中，為了避免在執行命令時造成客戶端輸入緩衝區溢出，AOF 重寫在處理列表、哈希表、集合和有序集合這四種可能會帶有多個元素的鍵時，會先檢查鍵所包含的元素數量，如果數量超過 REDISAOFREWRITEITEMSPER_CMD ( 一般為64 )常量，則使用多條命令記錄該鍵的值，而不是一條命令。

rewrite的觸發機制主要有一下三個：

手動調用 bgrewriteaof 命令，如果當前有正在運行的 rewrite 子進程，則本次rewrite 會推遲執行，否則，直接觸發一次 rewrite。
通過配置指令手動開啟 AOF 功能，如果沒有 RDB 子進程的情況下，會觸發一次 rewrite，將當前資料庫中的數據寫入 rewrite 文件。
在 Redis 定時器中，如果有需要退出執行的 rewrite 並且沒有正在運行的 RDB 或者 rewrite 子進程時，觸發一次或者 AOF 文件大小已經到達配置的 rewrite 條件也會自動觸發一次。