Redis AOF 持久化的实现

x33g5p2x  于2021-03-14 发布在 Redis  
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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;

    // ...
};

举个例子, 如果客户端向服务器发送以下命令:

redis> SET KEY VALUE
OK

那么服务器在执行这个 SET 命令之后, 会将以下协议内容追加到 aof_buf 缓冲区的末尾:

*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nKEY\r\n$5\r\nVALUE\r\n

又比如说, 如果客户端向服务器发送以下命令:

redis> RPUSH NUMBERS ONE TWO THREE
(integer) 3

那么服务器在执行这个 RPUSH 命令之后, 会将以下协议内容追加到 aof_buf 缓冲区的末尾:

*5\r\n$5\r\nRPUSH\r\n$7\r\nNUMBERS\r\n$3\r\nONE\r\n$3\r\nTWO\r\n$5\r\nTHREE\r\n

以上就是 AOF 持久化的命令追加步骤的实现原理。

AOF 文件的写入与同步

Redis 的服务器进程就是一个事件循环(loop), 这个循环中的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, 而时间事件则负责执行像 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, 所以在服务器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, 这个过程可以用以下伪代码表示:

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 aof_buf 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, 各个不同值产生的行为如表 TABLE_APPENDFSYNC 所示。

appendfsync 选项的值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, 那么再次对 AOF 文件进行同步, 并且这个同步操作是由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, 何时同步由操作系统来决定。

如果用户没有主动为 appendfsync 选项设置值, 那么 appendfsync 选项的默认值为 everysec , 关于 appendfsync 选项的更多信息, 请参考 Redis 项目附带的示例配置文件 redis.conf 。

文件的写入和同步

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。

举个例子, 假设服务器在处理文件事件期间, 执行了以下三个写入命令:

  1. SADD databases "Redis" "MongoDB" "MariaDB"
  2. SET date "2013-9-5"
  3. INCR click_counter 10086

那么 aof_buf 缓冲区将包含这三个命令的协议内容:

*5\r\n$4\r\nSADD\r\n$9\r\ndatabases\r\n$5\r\nRedis\r\n$7\r\nMongoDB\r\n$7\r\nMariaDB\r\n
*3\r\n$3\r\nSET\r\n$4\r\ndate\r\n$8\r\n2013-9-5\r\n
*3\r\n$4\r\nINCR\r\n$13\r\nclick_counter\r\n$5\r\n10086\r\n

如果这时 flushAppendOnlyFile 函数被调用, 假设服务器当前 appendfsync 选项的值为 everysec , 并且根据 server.aof_last_fsync 属性显示, 距离上次同步 AOF 文件已经超过一秒钟, 那么服务器会先将 aof_buf 中的内容写入到 AOF 文件中, 然后再对 AOF 文件进行同步。

以上就是对 AOF 持久化功能的文件写入和文件同步这两个步骤的介绍。

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, 并且每隔超过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, 并且就算出现故障停机, 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。

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