Redis | 第5章 Redis 中的持久化技术《Redis设计与实现》
@(第5章 Redis 中的持久化技术)前言
参考资料：《Redis设计与实现 第二版》；
第二部分为单机数据库的实现，主要由以下模块组成：数据库、持久化、事件、客户端与服务器；
本篇将介绍 Redis 中的持久化技术，主要有两种：RDB持久化和AOF持久化；
与本章相关的 Redis 命令总结在下篇文章，欢迎点击收藏，本篇将不再重复：
《Redis常用命令及示例总结（API）》：https://blog.51cto.com/dlhjw/4744855
1. RDB 持久化
1.1 RDB 文件的创建与载入
[*]Redis使用 SAVE 和BGSAVE 命令生成 RDB 文件；
[*]SAVE：会阻塞 Redis 服务器进程，直到 RDB 文件创建完毕为止，阻塞期间服务器不能处理任何命令请求；
[*]BGSAVE：会派生一个子进程，由指进程负责创建 RDB 文件，父进程继续处理命令请求。BGSAVE 执行期间，会发生以下特殊情况：
[*]在 BGSAVE 命令执行期间，客户端发送 SAVE 和 BGSAVE 命令会被服务器拒绝，防止产生竞争条件。客户端发送 BGREWRITEAOF 命令会被延迟；
[*]在 BGREWRITEAOF 命令执行期间，客户端发送 BGSAVE 命令会被服务器拒绝；
[*]创建 RDB 文件由 rdb.c/rdbSave 函数完成；
[*]载入 RDB 文件由 rdb.c/rdbLoad 函数完成；
[*]RDB 文件的载入工作是在服务器启动时自动执行，只要 Redis 服务器在启动时检测到 RDB 文件存在，就会自动载入 RDB 文件；
[*]AOF 文件的更新频率通常比 RDB 文件更新频率高：
[*]当服务器开启了 AOF 持久化功能时，会优先使用 AOF 文件还原数据库状态；
[*]当服务器关闭了 AOF 持久化功能时，才会使用 RDB 文件来还原数据库状态；
[*]服务器在载入 RDB 文件期间，会一直处于阻塞状态，直到载入工作完成为止；
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1.2 自动间隔性保存
1.2.1 设置保存条件
[*]服务器会根据 save 选项所设置的保存值，设置服务器状态 redisServer结构的 saveparams 属性；
[*]redisServer 的结构定义：
redisServer{
//...
//记录了保存条件的数组
struct saveparam *saveparams;
//
}
[*]saveparams 属性是一个数组，每个 saveparam 结构保存了一个 save 设置的保存条件；
[*]saveparam 的结构定义： saveparam{
//秒数
time_t seconds;
//修改值
int changes;
}
1.2.2 dirty 计数器和 lastsave 属性
[*]dirty 属性和 lastsave 属性在 redisServer 结构体里：
redisServer{
//...
//修改计数器
long long dirty;
//上一次执行保存的时间
time_t lastsave;
};
[*]dirty 计数器记录距离上一次成功执行 SAVE 命令或者 BGNAME 命令之后，服务器对数据库状态进行了多少次修改；
[*]lastsave 属性是一个 UNIX 时间戳，记录了服务器上一次成功执行 SAVE 命令或 BGSAVE 命令的时间；
1.2.3 检查保存条件是否满足
[*]Redis 的服务器周期性操作函数 serverCron 默认每隔 100ms 会执行一次，其中包括检查 save 选项所设置的保存条件是否满足（遍历并检查 saveparams 数组中的所有保存条件），满足则执行 BGSAVE 命令；
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1.3 RDB 文件
1.3.1 RDB 的文件结构
[*]RDB 文件结构的逻辑图：
[*]各个字段含义：
字段长度储存值说明REDIS5字节“REDIS”在载入文件时，快速检查所载入的文件是否为 RDB 文件db_version4字节字符串表示的整数RDB 文件的版本号databases0个或任意多个数据库，以及数据库中的键值对数据EOP1字节EOP 常量表示 RDB 文件正文内容的结束check_sum8字节无符号整数前4个部分的校验和
1.3.2 database 的文件结构
[*]database 为 RDB 文件的结构组成部分；
[*]databases 部分的逻辑结构：
[*]各字段含义：
字段长度存储值说明SELECTDB1字节常量表示接下来读入数据库号码db_number1、2或5字节数字表示数据库号码key_value_pairs长度不定数据库所有的键值对数据
1.3.3 key_value_pairs 的文件结构
[*]key_value_pairs 为 databases 的结构组成部分；有两种类型，一种不带过期时间，一种带过期时间；
[*]key_value_pairs 部分的逻辑结构：
[*]各字段含义：
字段长度存储值说明EXPIRETIME_MS1字节数值表示过期时间ms8字节数值以毫秒为单位的 UNIX 时间戳TYPE1字节常量代表一种对象类型或底层编码key长度不定字符串对象表示键对象value长度不定各种对象表示值对象
1.3.4 value 的编码
[*]value 为 key_value_pairs 的结构组成成分；
[*]value 值对象的结构和长度会根据 TYPE 类型的不同而不同；
[*]value可以是字符串对象、列表对象、集合对象、哈希表对象、有序集合对象、INTSET编码的集合和ZIPLIST编码的列表、哈希表或有序集合；
[*]value的格式与编码对应请见 《第3章 对象》1.1 对象的定义；
[*]字符串对象的格式与示例：
[*]字符串对象可分为：压缩字符串和无压缩字符串两种：
[*]列表与集合对象的格式：
[*]哈希表对象的格式：
[*]有序集合对象的格式：
[*]INTSET 编码集合的格式：
[*]将整数集合转换成字符串即可；
[*]ZIPLIST编码的列表、哈希表或有序集合的格式：
[*]将压缩列表转换成一个字符串对象，然后再保存到 RDB 文件；
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1.4 RDB 文件的示例
[*]不包含任何键值对的 RDB 文件：
REDIS标识db_versionEOF标识check_numREDIS0006377334 263 c 360 z 334 362 v
[*]包含字符串键的 RDB 文件：
REDIS标识db_versionSELECTDBdb_number，0 号数据库TYPE，\0 表示字符串keyvalueEOF标识check_numREDIS0006376\0\0003 MSG005 HELLO377207 z = 304 f T L 343
[*]包含带有过期时间的字符串键的 RDB 文件：
REDIS标识db_versionSELECTDB 切换数据库EXPIRETIME_MSmsTYPE，\0 表示字符串keyvalueEOF标识check_numREDIS0006376 \0374\ 2 365 336 @ 001 \0 \0\0003 MSG005 HELLO377212 231 x 247 252 } 021 306
[*]包含一个集合键的 RDB 文件：
REDIS标识db_versionSELECTDB 切换数据库常量 REDIS_RDB_TYPE_SETkey集合大小第一个元素第二个元素第三个元素EOF常量check_numREDIS0006376 \0002004 LANG003004 RUBY004 JAVA001 C377202 312 r 352 346 305 * 023
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2 AOF 持久化与 RDB 持久化的区别
[*]AOF 持久化：保存 Redis 服务器所执行的命令来记录数据库状态；
[*]RDB 持久化：保存数据库中的键值对来记录数据库状态不同；
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3. AOF 持久化
3.1 AOF 持久化的实现
[*]AOF 持久化功能可分为：追加（append）、文件写入、文件同步（sync）三个步骤；
[*]AOF 文件中的所有命令都以 Redis 命令请求协议的格式保存；
[*]当 AOF 持久化功能打开时，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：
redisServer{
//...
//AOF 缓冲区
sds aof_buf;
};
[*]AOF 文件的写入与同步依赖事件循环 loop，每次循环主要有三个工作：
[*]处理文件事件：负责接收客户端的命令请求，以及向客户端发送命令回复；
[*]处理时间事件：执行需要定时运行的函数；
[*]flushAppendOnlyFile()：考虑是否将 aof_buf 中的内容追加到 AOF 文件中；
[*]flushAppendOnlyFile() 函数的行为由服务器配置的 appendfsync 选项的值决定，该值有三种不同的行为：
appendfsync 选项的值flushAppendOnlyFile 函数的行为效率与安全性always将 aof_buf 缓冲区中的所有内容写入并同步到 AOF 文件效率最慢，安全性最高everysec将 aof_buf 缓冲区中的所有内容写入并同步到 AOF 文件，如果上次同步 AOF 文件的事件距离现在超过 1s ，则对再次 AOF 文件进行同步，并且这个同步由一个线程专门负责效率高no将 aof_buf 缓冲区中的所有内容写入到 AOF 文件，但不对 AOF 文件进行同步，何时同步由操作系统决定效率最高，安全性最低<br>
3.2 AOF 文件的载入与数据还原
[*]服务器创建一个不带网络连接的伪客户（fake client），伪客户端读入并执行 AOF 文件即可；
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3.3 AOF 重写
[*]AOF 重写不需要对现有 AOF 文件进行任何读取、分析或写入操作，而是通过读取服务器当前数据库状态实现；
[*]AOF 重写功能的实现原理：从数据库读取键现在的值，然后用一条命令记录键值对，代替之前记录这个键值对的多条命令；
[*]为了避免执行命令时造成客户端输入缓冲区溢出，重写程序在处理列表、哈希表、集合、有序集合这四种键时，会检查元素数量，超过一定数量（64）时会使用多条命令记录这个键的情况；
[*]这个数量由常量 redis.h/REDIS_AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD 确定；
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3.4 AOF 后台重写
[*]AOF 重写需要解决2个问题：
[*]重写不能阻碍服务器处理客户端请求：使用子进程解决；
[*]子进程在 AOF 重写期间，父进程服务器对数据库状态进行修改，会使服务器当前状态与重写后 AOF 状态不一致：设置AOF 重写缓冲区解决；
[*]Redis 将 AOF 重写程序放到子进程里执行：
[*]子进程进行 AOF 重写期间，服务器进程（父进程）可以继续处理命令请求；
[*]子进程带有服务器进程的数据副本，使用子进程而不是线程，避免使用锁的情况下保证数据安全；
[*]Redis 服务器设置一个 AOF 重写缓冲区，以保证：
[*]AOF 缓冲区的内容会定期被写入和同步到 AOF 文件，对现有 AOF 文件的处理工作如常进行；
[*]从创建子进程开始，服务器执行的所有写命令都会被记录到 AOF 重写缓冲区里；
[*]子进程完成 AOF 重写工作后，向父进程发送一个信号，父进程接到信号后调用信号处理函数，执行以下工作：
[*]将 AOF 重写缓冲区中的所有内容写入到新 AOF 文件，此时新 AOF 文件保存的数据库状态将与服务器当前的数据库状态一致；
[*]对新的 AOF 文件进行改名，原子地覆盖现有的 AOF 文件，完成新旧两个 AOF 文件的替换；
[*]只有号处理函数执行时会对服务器进程（父进程）造成阻塞；
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最后
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