Redis 5.0 部分源码剖析

从前有句古话说得好，天将降大任于斯人也，必要先看Redis。
以前古人还说过，窗前明月光，低头Redis。
古人还说过，所有的答案都在源码里。
昨天还有人跟我说，用Redis比Tair申请要方便。

不识庐山真面目，只缘身在此山中

我们先给出一副大图，来看看Redis AOF Rewrite的总体流程是怎么样的。

先看看大图里的几大组成部分

主进程与子进程，大家都知道，Redis AOF Rewrite是通过创建一个子进程来完成的。父子进程有一个重要特性，那就是"读时共享，写时复制"。后面我们详细聊
父子进程间通信使用的三个通道。
客户端写入Redis主进程时，涉及到的两个数据结构，aof_buf，aof_rewrite_buf_blocks；子进程涉及到的aof_child_diff数据结构。
一份当前使用的AOF文件，这份文件是准备退休的"现役"文件，另一份是子进程正在重写的"预备役"文件。
大致涉及的内容就是如此了，接下来按照一个AOF Rewrite执行的时间顺序来看看到底发生了什么事

万般皆由长风起

先来看看，Redis AOF Rewrite机制是怎么触发的呢？

有两种方式大家应该都很清楚了，一种是配置文件中配置的若干时间内，发生了若干键值对的变化，达到阈值就需要触发一次重写。
（这里补充一句，这个检查是在Redis后台主线程中调度时检查的，这个时间并不会是很确定的）

所谓的serverCron就是这个方法，何时触发，如何触发，我们回头细说

另一种是客户端，要求执行bgrewriteaof。
这里写的第三种，是在开启AOF时，才会进行一次。一般是在启动时就完成了AOF的启动。
但这里有一种特殊情况，就是在Redis有主从时。从服务在跟主服务同步数据时，主服务会生成一个RDB文件给从，从使用假客户端读取数据恢复至内存。这个阶段，从服务是需要停止AOF（如果原来开启的话）的。等到完成了主从同步的数据恢复后，自动开启AOF，这里就会执行一次AOF的重写。

山一程，水一程，fork子进程

不管是什么原因，当确定要进行AOF Rewrite之后，首先做的就是进行一系列检查，然后fork一个子进程。

有红线的地方就是fork子进程的地方。
if语句中的是子进程需要执行的代码，else中是主进程的。
先不着急研究主子进程分别做了什么事，看下前面的校验。
首先，如果有AOF重写子进程或RDB重写进程存在的话，就不进行本次的重写。
其次，如果创建主子进程的管道失败的话，也不进行重写。
创建子进程成功之后，子进程就会立即开始AOF文件的重写，而主进程则是继续提供对外服务，只是为了确保重写期间AOF不丢失，会多做几步操作。
这里创建的管道十分重要，一共有三个：

提示：由于fork子进程会让主子进程共享内存，那么子进程一定是要知道主进程原有的数据存储在哪里的。
这里就涉及到将原有主进程的页表复制一份过来的操作。这个操作是阻塞的，会导致fork操作卡住。
因此在流量大的时候，要注意AOF Rewrite将Redis卡住，而使RT增大。

话分两头

子进程

我们看看子进程都做了啥：

创建一个临时文件，名字是temp-rewriteaof-{pid}的文件，然后初始化一下文件句柄之类的引用。
判断是否是RDB混合模式，还是纯AOF模式，进行重写。这两者的区别，这里就不赘述了。
真正的重写其实很简单，就是挨个的读取db的内容，然后以对应的格式，写入文件中。
由于主子进程之间有"读时共享，写时复制"的限制，也就是如果是读取时两者公用一份内容，当有人要写的数据时，会将原有数据copy出来一份，在新的copy的数据上修改，旧保持不变。
Redis就利用了这一功能，保证了读到的数据是fork之前的最后版本的数据。
到这里为止，其实是AOF Rewrite的核心逻辑，其余的逻辑都是围绕在AOF Rewrite期间有数据发生变化来做的。
整个重写是非常耗费CPU的，趁着子进程加班加点干活时，我们来看一眼主进程在做什么。
主进程

主进程在fork完子进程，把ORK交代给子进程之后，就对子进程不管不问了。偶尔检查一下子进程有没有把工作完成（通信管道有没有新数据/子进程有没有消失）。
假设在AOF重写过程中，有客户端发来了一个set a 1的请求，会将原来的a的值由0改为1。
由于有主子进程"读时共享，写时复制"的存在，不用担心子进程，它会读到老的数据。
在完成内存数据变化后，会走到下面这个方法中。我们仔细来看看。

这个方法在aof.c文件中，所有写aof的操作都走这个方法。
它做了一下几件事：
Redis是有多个db的，如果命令操作的db不是当前的db，那么就会插入一条select db的命令。根据ditcid参数来确定
将带有过期时间的操作，转换为PEXPIREAT（EXPIRE/PEXPIRE/EXPIREAT/SETEX/PSETEX/SET EX seconds)
将操作的命令，转换为RESP格式
写入AOF相关缓存
这里与AOF Rewrite相关的，是步骤4，我们重点来看下这个步骤做了什么：

首先，判断是否开启了AOF，那显然我们是开启了的啊，就需要将这条语句，写入旧的AOF文件中。这个很合理啊，万一重写失败了呢，数据不可以丢啊。
其次，如果有aof子进程pid存在，那么还要多做一步aofRewriteBufferAppend()，这个是做什么的呢？
它是将刚刚生成的语句，再次保存在一个aof_rewrite_buf_blocks的结构当中。
这个aof_rewrite_buf_blocks是一个list结构，它保存的都是10M大小一个的block。block中存储的就是刚刚生成的语句。
然后方法返回。本次aof写入操作结束。
aof_rewrite_buf_blocks的数据，会等待创建的管道1是否允许写入(写入时机由别的机制保证，这里略过)，如果允许写入，就将数据写入这个管道中，然后将内存中写入部分的数据释放。

提示：这里需要注意，aof_buf与aof_rewrite_buf_blocks是两个数据结构，里面的数据也是两份，不是公用一份。
因此重写阶段，数据变更会让主进程将这些数据在内存中存储两份，这对主进程是额外的压力。

子进程拿到第一个KR了

我们把目光再次回到子进程身上。
此时它已经完成对原有数据的重写，拿到第一个KR，我们恭喜一下它~
现在我们知道了Rewrite期间变化的数据，是会通过管道通知的。那么子进程是如何处理的么？

点点滴滴，聚水成河

其实在“子进程”章节中重写旧数据时，就开始处理了。子进程在重写旧数据时，会时不时的读取一下管道。rdbSaveRio方法中

rewriteAppendOnlyFileRio方法中

这些读取出来的数据都会保存在aof_child_diff的数据结构中。
这样旧数据会直接写入到aof重写文件中，期间变化的数据会保存在内存aof_child_diff中，数据顺序就不会混乱了。最后把这部分变化的数据统一写入待aof重写文件中即可。

最重要的是向上管理

子进程在完成第一个KR，重写了旧数据之后，就马不停蹄的开展了下一项工作。从管道1中读取变化的数据。

这里有两个点需要注意，一个是主进程可能一直在接受新的数据，这就导致通道1中永远有数据，子进程就无限制的读取数据，这肯定是不能接受到，因此，限制了最多只会读取1s。
另一个，如果一直没有数据，也没必要一直等啊，大家时间都很宝贵的，如果20毫秒没有数据，那么子进程也就不会读取了。
下面就到了关键一步，要通知主进程自己的工作已经完成了80%，进行向上管理了。

子进程向通道2写入一个！号，通知主进程，请停止向管道1当中写入数据

主进程接受会邀

主进程在接受到通道2的通知之后，将aof_stop_sending_diff设置为1，变化的数据仍旧进入aof_rewrite_buf_blocks中，但是不会在写入通道1中了，全部停留在自己的内存中。
主进程接着向通道3中写入一个!，表明自己停止写入数据。

临门一脚

子进程收到通知后，最后将通道1中的数据全部读取出来，然后刷入磁盘，并将aof重写文件重写命名为temp-rewriteaof-bg-{pid}.aof，然后自己退出进程。
这里的写入，就是指将内存中的aof_child_buf中的数据一股脑的写入文件当中，然后随着进程退出，内存一并释放。

主进程：我来兜底！

此时子进程已经完成了它的工作，退出了进程，主进程在serverCron中发现子进程已经不存在了之后，就调用backgroundRewriteDoneHandler方法，处理善后的工作。
将之前aof_rewrite_buf_blocks还存在的数据，写入aof重写文件之中。（temp-rewriteaof-bg-{pid}.aof）
将aof文件设置为重写文件，重写aof正式转正，旧文件退休。

道由白云尽，春与青溪长

到此为止，一次完整的AOF Rewrite重写就结束了。
纵观整个过程，我们可以看到，核心的重点是如何处理AOF Rewrite期间变化的数据。
为了保证这部分的数据正确，Redis 5.0 版本总共使用了两个内存结构存储(主进程的aof_rewrite_buf_blocks，子进程的aof_child_diff)，两个磁盘IO(主进程写入旧AOF文件，子进程写入新AOF重写文件)，三个通信管道，双倍的CPU开销来完成。
有兴趣的同学可以了解下还未正式发布的Redis 7.0，Multi Part AOF的实现。这个版本的实现完美解决了上述的冗余问题。
好的，今天的分享就到此为止啦，感谢大家。