《Redis源码学习笔记》AOF

Redis提供两种持久化方式，RDB和AOF；与RDB不同，AOF可以完整的记录整个数据库，而不像RDB只是数据库某一时刻的快照; 

那么AOF模式为什么可以完整的记录整个数据库呢？  

原理 ：在AOF模式下，Redis会把执行过的每一条更新命令记录下来，保存到AOF文件中；当Redis需要恢复数据库数据时，只需要从之前保存的AOF文件中依次读取命令，执行即可 eg. 

 我们执行了以下命令：
 redis 127.0.0.1:6379> set name diaocow
 OK
 redis 127.0.0.1:6379> lpush country china usa
 (integer) 4

 这时候在AOF文件中的类容类似下面：
 *3\r\n$3\r\nset\r\n$4\r\nname\r\n$7\r\ndiaocow\r\n
 *4\r\n$5\r\nlpush\r\n$7\r\ncountry\r\n$5\r\nchina\r\n$3\r\nusa\r\n

看了上面的内容，我想不用我过多解释，你也能大致猜出AOF协议格式，因为它实在太简单明了了 

Redis把更新命令记录到AOF文件，分为两个阶段：  

阶段1：把更新命令写入aof缓存 

 def processCommand(cmd, argc, argv):
     # 执行命令
     call(cmd, argc, argv)
     # 该命令变更了键空间并且AOF模式打开
     if redisServer.update_key_space and redisServer.aof_state & REDIS_AOF_ON:
         feedAppendOnlyFile(cmd, argc, argv)

 def feedAppendOnlyFile(cmd, argc, argv):
     # 把命令转换成AOF协议格式
     aofCmdStr = getAofProtocolStr(cmd, argc, argv)
     redisServer.aof_buf.append(aofCmdStr )

     # 存在一个子进程正在进行AOF_REWRITE（关于AOF_REWRITE，稍后详说）
     if redisServer.aof_child_pid != -1:
         redisServer.aof_rewrite_buf_blocks.append(aofCmdStr )

阶段2： 把aof缓存写入文件 

当我们开始下一次 事件循环 之前，redis会把AOF缓存中的内容写入到文件： 

 def flushAppendOnlyFile(force):
     if len(redisServer.aof_buf) == 0:
         return
     # 把缓存数据写入文件
     if writeByPolicy(force, redisServer.aof_fsync):
         write(redisServer.aof_fd, redisServer.aof_buf, len(redisServer.aof_buf))
     # 同步数据到硬盘
     if fsyncByPolicy(force, redisServer.aof_fsync):
         fsync(redisServer.aof_fd)

更多细节请看: aof.c/flushAppendOnlyFile函数 （ps: 这个函数代码看起来比较晦涩） 

看到这里，你也许会有两个疑问：  
1. 为什么要调用fsync函数，不是已经调用write把数据写入到文件了吗？ 
2. 伪代码中aof_fsync是什么，它有几种类型？ 

首先回答问题1，为什么写入文件后，还要调用fsync函数： 
大多数unix系统为了减少磁盘IO，采用了“延迟写”技术，也就是说当我们执行完write调用后，数据并不一定立马被写入磁盘（可能还是保留在系统的buffer cache或者page cache中），这样当主机突然断电，这些我们本以为已经写入到磁盘文件的数据可能就会丢失；所以当我们需要确保数据被完整正确的写入磁盘（譬如数据库的持久化），则需要调用同步函数fsync，它会一直阻塞直到数据全部被写入到硬盘 

问题2，aof_fysnc是什么： 
aof_fsync用来指定flush策略，也就是调用fsync函数的策略，它一共有三种： 
a. AOF_FSYNC_NO ：每次都会把aof_buf中的内容写入到磁盘，但是不会调用fsync函数； 
b. AOF_FSYNC_ALWAYS ：每次都会把aof_buf中的内容写入到磁盘，同时调用fsync函数； 
c. AOF_FSYNC_EVERYSEC 

由于AOF_FSYNC_ALWAYS每次都写入文件都会调用fsync，所以这种flush策略可以保证数据的完整性，缺点就是性能太差（因为fysnc是个同步调用，会阻塞主进程对客户端请求的处理），而AOF_FSYNC_NO由于依赖于操作系统自动sync，因此不能保证数据的完整性； 

那有没有一种折中的方式：既能不过分降低系统的性能，又能最大程度上的保证数据的完整性，答案就是：AOF_FSYNC_EVERYSEC，AOF_FSYNC_EVERYSEC的flush策略是：定期（至少1s）去调用fsync，并且该操作是放到一个异步队列中（线程）去执行，因此不会阻塞主进程 

AOF模式至此我们已经基本说完，但是随着Redis运行，AOF文件会变得越来越大（在业务高分期增长的更快），原因有两个 ： 
a. AOF协议本身是文本协议，比较占空间; 
b. Redis需要记录从开始到现在的所有更新命令； 

这两个原因导致了AOF文件容易变得很大，那有什么方式可以优化吗？譬如用户执行了三个命令：lpush name diaocow; lpush name jack; lpush name jobs 
AOF文件会记录以下数据： 

 *3\r\n$5\r\nlpush\r\n$4\r\nname\r\n$7\r\ndiaocow
 *3\r\n$5\r\nlpush\r\n$4\r\nname\r\n$4\r\njack
 *3\r\n$5\r\nlpush\r\n$4\r\nname\r\n$4\r\njobs

但其实只需要记录一条：lpush name diaocow jack jbos 命令即可: 

 *5\r\n$5\r\nlpush\r\n$4\r\nname\r\n$7\r\ndiaocow\r\n$4\r\njack\r\n$4\r\njobs

所以当AOF文件达到 REDIS_AOF_REWRITE_MIN_SIZE（1M）时，Redis就会执行AOF_REWRITE来优化AOF文件; 

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AOF_REWRITE触发条件：  
1. 被动： 当AOF文件尺寸超过REDIS_AOF_REWRITE_MIN_SIZE & 达到一定增长比； 
2. 主动： 调用BGREWRITEAOF命令； 

主动和被动方式的AOF_REWRITE过程基本相同，唯一的区别就是，通过BGREWRITEAOF命令执行的AOF_REWRITE（主动）是在一个子进程中进行，因此它不会阻塞主进程对客户端请求的处理，而被动方式由于是在主进程中进行，所以在AOF_REWRITE过程中redis是无法响应客户端请求的； 

下面我就以BGREWRITEAOF命令为例，具体看下AOF_REWRITE过程： 


整个AOF_WRITE过程，最重要的一个函数是: rewriteAppendOnlyFile，它主要做了下面事情：  
a. 创建一个临时文件temp-rewriteaof-pid.aof； 
b. 循环所有数据库，把每一个数据库中的键值对，按照aof协议写入到临时文件； 
c. 重命名临时文件； 

伪代码： 

 def rewriteAppendOnlyFile(filename):
     # 创建临时文件
     tempFile = createTempFile():
     # 循环所有数据库
     for db in redisServer.dbs:
         # 把数据库中的每一个键值对，按照AOF协议写入临时文件
         for key, val in db.key_value_pairs():
             expired_time = getExpiredTime(key)
             # 过滤过期键
             if expired_time != -1 and expired_time < now_time:
                 continue
             # 获取键值对应的命令（譬如 string->set，list->lpush)
             cmd = getCmdByValueType(val)
             # 按照aof协议保存键值对
             saveIntoAofProcotol(cmd, key,value, tempFile)
             # 若该键关联一个过期时间，并且未超时，则写入该键的过期信息
             if expired_time > now_time:
                  saveIntoAofProcotol("pexpiredat", key, expired_time, tempFile)
     # 重命名文件
     rename(tempFile, filename)

当AOF_REWRITE过程执行完毕，Redis会用新生成的文件去替换原来的AOF文件，至此我们可以说，现在AOF文件中的内容已经是最精简的了  

现在还存在一个问题：如果我们是通过 主动方式 去执行AOF_REWRITE，那么在保存AOF文件期间，“键空间”是可能发生变化的（因为主进程没有被阻塞），若直接用新生成的文件去替换原来的AOF文件，就会造成数据的不一致性（丢失在AOF_REWRITE过程中更新的数据） 

那redis如何解决这个问题呢？ 在文章开头讲AOF模式的时候，我列举了下面一段伪代码： 

 def processCommand(cmd, argc, argv):
     # 执行命令
     call(cmd, argc, argv)
     # 该命令变更了键空间并且AOF模式打开
     if redisServer.update_key_space and redisServer.aof_state & REDIS_AOF_ON:
         feedAppendOnlyFile(cmd, argc, argv)

 def feedAppendOnlyFile(cmd, argc, argv):
     # 把命令转换成AOF协议格式
     aofCmdStr = getAofProtocolStr(cmd, argc, argv)
     redisServer.aof_buf.append(aofCmdStr )

     # 存在一个子进程正在进行AOF_REWRITE
     if redisServer.aof_child_pid != -1:
         # 把变更命写写到aof重写缓存
         redisServer.aof_rewrite_buf_blocks.append(aofCmdStr )

你会发现，如果redis检测到有一个子进程正在进行AOF_REWRITE，那么它会把这期间所有变更命令写到AOF重写缓存（aof_rewrite_buf_blocks），然后当子进程完成AOF_REWRITE后，它会再把AOF重写缓存中的内容追加到新生成文件，这样我们就可以保证数据的一致性，避免刚才说的问题发生； 

总结：  
1. 了解AOF模式作用及原理 
2. 了解AOF重写作用及原理 
3. 了解AOF协议