java 从零开始手写 redis（六）redis AOF 持久化原理详解及实现

前言

我们前面简单实现了 redis 的几个特性，java从零手写实现redis（三）内存数据如何重启不丢失？中实现了类似 redis 的 RDB 模式。

redis aof 基础

Redis AOF 持久化详解

AOF 的一些个人理解

为什么选择 AOF？

AOF 模式的性能特别好，有多好呢？

用过 kafka 的同学肯定知道，kafka 也用到了顺序写这个特性。

顺序写添加文件内容，避免了文件 IO 的随机写问题，性能基本可以和内存媲美。

AOF 的实时性更好，这个是相对于 RDB 模式而言的。

我们原来使用 RDB 模式，将缓存内容全部持久化，这个是比较耗时的动作，一般是几分钟持久化一次。

AOF 模式主要是针对修改内容的指令，然后将所有的指令顺序添加到文件中。这样的话，实时性会好很多，可以提升到秒级别，甚至秒级别。

AOF 的吞吐量

AOF 模式可以每次操作都进行持久化，但是这样会导致吞吐量大大下降。

提升吞吐量最常用的方式就是批量，这个 kafka 中也是类似的，比如我们可以 1s 持久化一次，将 1s 内的操作全部放入 buffer 中。

这里其实就是一个 trade-off 问题，实时性与吞吐量的平衡艺术。

实际业务中，1s 的误差一般都是可以接受的，所以这个也是业界比较认可的方式。

AOF 的异步+多线程

kafka 中所有的操作实际上都是异步+回调的方式实现的。

异步+多线程，确实可以提升操作的性能。

当然 redis 6 以前，其实一直是单线程的。那为什么性能依然这么好呢？

其实多线程也有代价，那就是线程上下文的切换是需要耗时的，保持并发的安全问题，也需要加锁，从而降低性能。

所以这里要考虑异步的收益，与付出的耗时是否成正比的问题。

AOF 的落盘

我们 AOF 与 RDB 模式，归根结底都是基于操作系统的文件系统做持久化的。

对于开发者而言，可能就是调用一个 api 就实现了，但是实际持久化落盘的动作并不见得就是一步完成的。

文件系统为了提升吞吐量，也会采用类似 buffer 的方式。这忽然有一点俄罗斯套娃的味道。

但是优秀的设计总是相似的，比如说缓存从 cpu 的设计中就有 L1/L2 等等，思路是一致的。

阿里的很多开源技术，都会针对操作系统的落盘做进一步的优化，这个我们后续做深入学习。

AOF 的缺陷

大道缺一，没有银弹。

AOF 千好万好，和 RDB 对比也存在一个缺陷，那就是指令

java 实现

接口

接口和 rdb 的保持一致

/**
 * 持久化缓存接口
 * @author binbin.hou
 * @since 0.0.7
 * @param  key
 * @param  value
 */
public interface ICachePersist {

    /**
     * 持久化缓存信息
     * @param cache 缓存
     * @since 0.0.7
     */
    void persist(final ICache cache);

}

注解定义

为了和耗时统计，刷新等特性保持一致，对于操作类的动作才添加到文件中（append to file）我们也基于注解属性来指定，而不是固定写死在代码中，便于后期拓展调整。

/**
 * 缓存拦截器
 * @author binbin.hou
 * @since 0.0.5
 */
@Documented
@Inherited
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface CacheInterceptor {

    /**
     * 操作是否需要 append to file，默认为 false
     * 主要针对 cache 内容有变更的操作，不包括查询操作。
     * 包括删除，添加，过期等操作。
     * @return 是否
     * @since 0.0.10
     */
    boolean aof() default false;

}

我们在原来的 @CacheInterceptor 注解中添加 aof 属性，用于指定是否对操作开启 aof 模式。

指定 aof 模式的方法

我们在会对数据造成变更的方法上指定这个注解属性：

过期操作

类似于 spring 的事务拦截器，我们使用代理类调用 expireAt。

expire 方法就不需要添加 aof 拦截了。

/**
 * 设置过期时间
 * @param key         key
 * @param timeInMills 毫秒时间之后过期
 * @return this
 */
@Override
@CacheInterceptor
public ICache expire(K key, long timeInMills) {
    long expireTime = System.currentTimeMillis() + timeInMills;
    // 使用代理调用
    Cache cachePoxy = (Cache) CacheProxy.getProxy(this);
    return cachePoxy.expireAt(key, expireTime);
}

/**
 * 指定过期信息
 * @param key key
 * @param timeInMills 时间戳
 * @return this
 */
@Override
@CacheInterceptor(aof = true)
public ICache expireAt(K key, long timeInMills) {
    this.expire.expire(key, timeInMills);
    return this;
}

变更操作

@Override
@CacheInterceptor(aof = true)
public V put(K key, V value) {
    //1.1 尝试驱除
    CacheEvictContext context = new CacheEvictContext<>();
    context.key(key).size(sizeLimit).cache(this);
    boolean evictResult = evict.evict(context);
    if(evictResult) {
        // 执行淘汰监听器
        ICacheRemoveListenerContext removeListenerContext = CacheRemoveListenerContext.newInstance().key(key).value(value).type(CacheRemoveType.EVICT.code());
        for(ICacheRemoveListener listener : this.removeListeners) {
            listener.listen(removeListenerContext);
        }
    }
    //2. 判断驱除后的信息
    if(isSizeLimit()) {
        throw new CacheRuntimeException("当前队列已满，数据添加失败！");
    }
    //3. 执行添加
    return map.put(key, value);
}

@Override
@CacheInterceptor(aof = true)
public V remove(Object key) {
    return map.remove(key);
}

@Override
@CacheInterceptor(aof = true)
public void putAll(Map m) {
    map.putAll(m);
}

@Override
@CacheInterceptor(refresh = true, aof = true)
public void clear() {
    map.clear();
}

AOF 持久化拦截实现

持久化对象定义

/**
 * AOF 持久化明细
 * @author binbin.hou
 * @since 0.0.10
 */
public class PersistAofEntry {

    /**
     * 参数信息
     * @since 0.0.10
     */
    private Object[] params;

    /**
     * 方法名称
     * @since 0.0.10
     */
    private String methodName;

    //getter & setter &toString
}

这里我们只需要方法名，和参数对象。

暂时实现的简单一些即可。

持久化拦截器

我们定义拦截器，当 cache 中定义的持久化类为 CachePersistAof 时，将操作的信息放入到 CachePersistAof 的 buffer 列表中。

public class CacheInterceptorAof implements ICacheInterceptor {

    private static final Log log = LogFactory.getLog(CacheInterceptorAof.class);

    @Override
    public void before(ICacheInterceptorContext context) {
    }

    @Override
    public void after(ICacheInterceptorContext context) {
        // 持久化类
        ICache cache = context.cache();
        ICachePersist persist = cache.persist();

        if(persist instanceof CachePersistAof) {
            CachePersistAof cachePersistAof = (CachePersistAof) persist;

            String methodName = context.method().getName();
            PersistAofEntry aofEntry = PersistAofEntry.newInstance();
            aofEntry.setMethodName(methodName);
            aofEntry.setParams(context.params());

            String json = JSON.toJSONString(aofEntry);

            // 直接持久化
            log.debug("AOF 开始追加文件内容：{}", json);
            cachePersistAof.append(json);
            log.debug("AOF 完成追加文件内容：{}", json);
        }
    }

}

拦截器调用

当 AOF 的注解属性为 true 时，调用上述拦截器即可。

这里为了避免浪费，只有当持久化类为 AOF 模式时，才进行调用。

//3. AOF 追加
final ICachePersist cachePersist = cache.persist();
if(cacheInterceptor.aof() && (cachePersist instanceof CachePersistAof)) {
    if(before) {
        persistInterceptors.before(interceptorContext);
    } else {
        persistInterceptors.after(interceptorContext);
    }
}

AOF持久化实现

这里的 AOF 模式和以前的 RDB 持久化类只是不同的模式，实际上二者是相同的接口。

接口

这里我们统一定义了不同的持久化类的时间，便于 RDB 与 AOF 不同任务的不同时间间隔触发。

public interface ICachePersist {

    /**
     * 持久化缓存信息
     * @param cache 缓存
     * @since 0.0.7
     */
    void persist(final ICache cache);

    /**
     * 延迟时间
     * @return 延迟
     * @since 0.0.10
     */
    long delay();

    /**
     * 时间间隔
     * @return 间隔
     * @since 0.0.10
     */
    long period();

    /**
     * 时间单位
     * @return 时间单位
     * @since 0.0.10
     */
    TimeUnit timeUnit();
}

持久化类实现

实现一个 Buffer 列表，用于每次拦截器直接顺序添加。

持久化的实现也比较简单，追加到文件之后，直接清空 buffer 列表即可。

/**
 * 缓存持久化-AOF 持久化模式
 * @author binbin.hou
 * @since 0.0.10
 */
public class CachePersistAof extends CachePersistAdaptor {

    private static final Log log = LogFactory.getLog(CachePersistAof.class);

    /**
     * 缓存列表
     * @since 0.0.10
     */
    private final List bufferList = new ArrayList<>();

    /**
     * 数据持久化路径
     * @since 0.0.10
     */
    private final String dbPath;

    public CachePersistAof(String dbPath) {
        this.dbPath = dbPath;
    }

    /**
     * 持久化
     * key长度 key+value
     * 第一个空格，获取 key 的长度，然后截取
     * @param cache 缓存
     */
    @Override
    public void persist(ICache cache) {
        log.info("开始 AOF 持久化到文件");
        // 1. 创建文件
        if(!FileUtil.exists(dbPath)) {
            FileUtil.createFile(dbPath);
        }
        // 2. 持久化追加到文件中
        FileUtil.append(dbPath, bufferList);

        // 3. 清空 buffer 列表
        bufferList.clear();
        log.info("完成 AOF 持久化到文件");
    }

    @Override
    public long delay() {
        return 1;
    }

    @Override
    public long period() {
        return 1;
    }

    @Override
    public TimeUnit timeUnit() {
        return TimeUnit.SECONDS;
    }

    /**
     * 添加文件内容到 buffer 列表中
     * @param json json 信息
     * @since 0.0.10
     */
    public void append(final String json) {
        if(StringUtil.isNotEmpty(json)) {
            bufferList.add(json);
        }
    }

}

持久化测试

测试代码

ICache cache = CacheBs.newInstance()
        .persist(CachePersists.aof("1.aof"))
        .build();
cache.put("1", "1");
cache.expire("1", 10);
cache.remove("2");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

测试日志

expire 实际上调用的是 expireAt。

[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.979] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 开始追加文件内容：{"methodName":"put","params":["1","1"]}
[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.980] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 完成追加文件内容：{"methodName":"put","params":["1","1"]}
[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.982] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 开始追加文件内容：{"methodName":"expireAt","params":["1",1601612441990]}
[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.982] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 完成追加文件内容：{"methodName":"expireAt","params":["1",1601612441990]}
[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.984] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 开始追加文件内容：{"methodName":"remove","params":["2"]}
[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.984] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 完成追加文件内容：{"methodName":"remove","params":["2"]}
[DEBUG] [2020-10-02 12:20:42.088] [pool-1-thread-1] [c.g.h.c.c.s.l.r.CacheRemoveListener.listen] - Remove key: 1, value: 1, type: expire
[INFO] [2020-10-02 12:20:42.789] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.InnerCachePersist.run] - 开始持久化缓存信息
[INFO] [2020-10-02 12:20:42.789] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.CachePersistAof.persist] - 开始 AOF 持久化到文件
[INFO] [2020-10-02 12:20:42.798] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.CachePersistAof.persist] - 完成 AOF 持久化到文件
[INFO] [2020-10-02 12:20:42.799] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.InnerCachePersist.run] - 完成持久化缓存信息

文件内容

1.aof 的文件内容如下

{"methodName":"put","params":["1","1"]}
{"methodName":"expireAt","params":["1",1601612441990]}
{"methodName":"remove","params":["2"]}

将每一次的操作，简单的存储到文件中。

AOF 加载实现

加载

类似于 RDB 的加载模式，aof 的加载模式也是类似的。

我们需要根据文件的内容，还原以前的缓存的内容。

实现思路：遍历文件内容，反射调用原来的方法。

代码实现

解析文件

@Override
public void load(ICache cache) {
    List lines = FileUtil.readAllLines(dbPath);
    log.info("[load] 开始处理 path: {}", dbPath);
    if(CollectionUtil.isEmpty(lines)) {
        log.info("[load] path: {} 文件内容为空，直接返回", dbPath);
        return;
    }

    for(String line : lines) {
        if(StringUtil.isEmpty(line)) {
            continue;
        }
        // 执行
        // 简单的类型还行，复杂的这种反序列化会失败
        PersistAofEntry entry = JSON.parseObject(line, PersistAofEntry.class);
        final String methodName = entry.getMethodName();
        final Object[] objects = entry.getParams();
        final Method method = METHOD_MAP.get(methodName);
        // 反射调用
        ReflectMethodUtil.invoke(cache, method, objects);
    }
}

方法映射的预加载

Method 反射是固定的，为了提升性能，我们做一下预处理。

/**
 * 方法缓存
 *
 * 暂时比较简单，直接通过方法判断即可，不必引入参数类型增加复杂度。
 * @since 0.0.10
 */
private static final Map METHOD_MAP = new HashMap<>();
static {
    Method[] methods = Cache.class.getMethods();
    for(Method method : methods){
        CacheInterceptor cacheInterceptor = method.getAnnotation(CacheInterceptor.class);
        if(cacheInterceptor != null) {
            // 暂时
            if(cacheInterceptor.aof()) {
                String methodName = method.getName();
                METHOD_MAP.put(methodName, method);
            }
        }
    }
}

测试

文件内容

default.aof

{"methodName":"put","params":["1","1"]}

测试

ICache cache = CacheBs.newInstance()
        .load(CacheLoads.aof("default.aof"))
        .build();

Assert.assertEquals(1, cache.size());
System.out.println(cache.keySet());

直接将 default.aof 文件加载到 cache 缓存中。

小结

redis 的文件持久化，实际上更加丰富。

可以支持 rdb 和 aof 两种模式混合使用。

aof 模式的文件体积会非常大，redis 为了解决这个问题，会定时对命令进行压缩处理。

可以理解为 aof 就是一个操作流水表，我们实际上关心的只是一个终态，不论中间经过了多少步骤，我们只关心最后的值。

文中主要讲述了思路，实现部分因为篇幅限制，没有全部贴出来。

开源地址： https://github.com/houbb/cache

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java 从零开始手写 redis（六）redis AOF 持久化原理详解及实现

前言

redis aof 基础

AOF 的一些个人理解

为什么选择 AOF？

AOF 的吞吐量

AOF 的异步+多线程

AOF 的落盘

AOF 的缺陷

java 实现

接口

注解定义

指定 aof 模式的方法

过期操作

变更操作

AOF 持久化拦截实现

持久化对象定义

持久化拦截器

拦截器调用

AOF持久化实现

接口

持久化类实现

持久化测试

测试代码

测试日志

文件内容

AOF 加载实现

加载

代码实现

解析文件

方法映射的预加载

测试

文件内容

测试

小结

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