Redis AOF持久化机制
1. AOF持久化介绍
Redis中支持RDB和AOF这两种持久化机制，目的都是避免因进程退出，造成的数据丢失问题。
- RDB持久化： 把当前进程数据生成时间点快照（point-in-time snapshot）保存到硬盘的过程 ，避免数据意外丢失。
- AOF持久化： 以独立日志的方式记录每次写命令，重启时在重新执行AOF文件中的命令达到恢复数据的目的。
AOF的使用：在redis.conf配置文件中，将appendonly设置为yes，默认的为no。
2. AOF持久化的实现
AOF持久化所有注释：Redis AOF持久化机制源码注释
2.1 命令写入磁盘
2.1.1 命令写入缓冲区
- 命令问什么先写入缓冲区
由于Redis是单线程响应命令，所以每次写AOF文件都直接追加到硬盘中，那么写入的性能完全取决于硬盘的负载，所以Redis会将命令写入到缓冲区中，然后执行文件同步操作，再将缓冲区内容同步到磁盘中，这样就很好的保持了高性能。
那么缓冲区定义如下，它是一个简单动态字符串（sds），因此很好的和C语言的字符串想兼容。
struct redisServer {
// AOF缓冲区，在进入事件loop之前写入
sds aof_buf; /* AOF buffer, written before entering the event loop */
};
- 命令的写入格式
Redis命令写入的内容直接就是 文本协议格式 ，例如：
*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$1\r\n0\r\n*5\r\n$4\r\nSADD\r\n$3\r\nkey\r\n$2\r\nm3\r\n$2\r\nm2\r\n$2\r\nm1\r\n
根据协议内容，大致可以得出：这是第0号数据库，执行了一个SADD key m1 m2 m3命令。 这就是Redis采用文件协议格式的原因之一，文本协议具有很高的可读性，可以直接进行修改。而且，文本协议还具有很好的兼容性，而且协议采用了\r\n换行符，所以每次写入命令只需执行追加操作。
既然是追加操作，因此，源码中的函数名字也是如此，catAppendOnlyGenericCommand()函数实现了追加命令到缓冲区中，从这个函数中，可以清楚的看到协议是如何生成的。
// 根据传入的命令和命令参数，将他们还原成协议格式
sds catAppendOnlyGenericCommand(sds dst, int argc, robj **argv) {
char buf[32];
int len, j;
robj *o;
// 格式："*<argc>\r\n"
buf[0] = '*';
len = 1+ll2string(buf+1,sizeof(buf)-1,argc);
buf[len++] = '\r';
buf[len++] = '\n';
// 拼接到dst的后面
dst = sdscatlen(dst,buf,len);
// 遍历所有的参数，建立命令的格式：$<command_len>\r\n<command>\r\n
for (j = 0; j < argc; j++) {
o = getDecodedObject(argv[j]); //解码成字符串对象
buf[0] = '$';
len = 1+ll2string(buf+1,sizeof(buf)-1,sdslen(o->ptr));
buf[len++] = '\r';
buf[len++] = '\n';
dst = sdscatlen(dst,buf,len);
dst = sdscatlen(dst,o->ptr,sdslen(o->ptr));
dst = sdscatlen(dst,"\r\n",2);
decrRefCount(o);
}
return dst; //返回还原后的协议内容
}
这个函数只是追加一个普通的键，然而一个过期命令的键，需要全部转换为PEXPIREAT，因为必须将相对时间设置为绝对时间，否则还原数据库时，就无法得知该键是否过期，Redis的catAppendOnlyExpireAtCommand()函数实现了这个功能。
// 用sds表示一个 PEXPIREAT 命令，seconds为生存时间，cmd为指定转换的指令
// 这个函数用来转换 EXPIRE and PEXPIRE 命令成 PEXPIREAT ，以便在AOF时，时间总是一个绝对值
sds catAppendOnlyExpireAtCommand(sds buf, struct redisCommand *cmd, robj *key, robj *seconds) {
long long when;
robj *argv[3];
/* Make sure we can use strtoll */
// 解码成字符串对象，以便使用strtoll函数
seconds = getDecodedObject(seconds);
// 取出过期值，long long类型
when = strtoll(seconds->ptr,NULL,10);
/* Convert argument into milliseconds for EXPIRE, SETEX, EXPIREAT */
// 将 EXPIRE, SETEX, EXPIREAT 参数的秒转换成毫秒
if (cmd->proc == expireCommand || cmd->proc == setexCommand ||
cmd->proc == expireatCommand)
{
when *= 1000;
}
/* Convert into absolute time for EXPIRE, PEXPIRE, SETEX, PSETEX */
// 将 EXPIRE, PEXPIRE, SETEX, PSETEX 命令的参数，从相对时间设置为绝对时间
if (cmd->proc == expireCommand || cmd->proc == pexpireCommand ||
cmd->proc == setexCommand || cmd->proc == psetexCommand)
{
when += mstime();
}
decrRefCount(seconds);
// 创建一个 PEXPIREAT 命令对象
argv[0] = createStringObject("PEXPIREAT",9);
argv[1] = key;
argv[2] = createStringObjectFromLongLong(when);
// 将命令还原成协议格式，追加到buf
buf = catAppendOnlyGenericCommand(buf, 3, argv);
decrRefCount(argv[0]);
decrRefCount(argv[2]);
// 返回buf
return buf;
}
那么，这两个函数都是实现的底层功能，因此他们都被feedAppendOnlyFile()函数最终调用。
这个函数，创建一个空的简单动态字符串（sds），将当前所有追加命令操作都追加到这个sds中，最终将这个sds追加到server.aof_buf。。还有就是，这个函数在写入键之前，需要显式的写入一个SELECT命令，以正确的将所有键还原到正确的数据库中。
// 将命令追加到AOF文件中
void feedAppendOnlyFile(struct redisCommand *cmd, int dictid, robj **argv, int argc) {
sds buf = sdsempty(); //设置一个空sds
robj *tmpargv[3];
// 使用SELECT命令，显式的设置当前数据库
if (dictid != server.aof_selected_db) {
char seldb[64];
snprintf(seldb,sizeof(seldb),"%d",dictid);
// 构造SELECT命令的协议格式
buf = sdscatprintf(buf,"*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$%lu\r\n%s\r\n",
(unsigned long)strlen(seldb),seldb);
// 执行AOF时，当前的数据库ID
server.aof_selected_db = dictid;
}
// 如果是 EXPIRE/PEXPIRE/EXPIREAT 三个命令，则要转换成 PEXPIREAT 命令
if (cmd->proc == expireCommand || cmd->proc == pexpireCommand ||
cmd->proc == expireatCommand) {
/* Translate EXPIRE/PEXPIRE/EXPIREAT into PEXPIREAT */
buf = catAppendOnlyExpireAtCommand(buf,cmd,argv[1],argv[2]);
// 如果是 SETEX/PSETEX 命令，则转换成 SET and PEXPIREAT
} else if (cmd->proc == setexCommand || cmd->proc == psetexCommand) {
/* Translate SETEX/PSETEX to SET and PEXPIREAT */
// SETEX key seconds value
// 构建SET命令对象
tmpargv[0] = createStringObject("SET",3);
tmpargv[1] = argv[1];
tmpargv[2] = argv[3];
// 将SET命令按协议格式追加到buf中
buf = catAppendOnlyGenericCommand(buf,3,tmpargv);
decrRefCount(tmpargv[0]);
// 将SETEX/PSETEX命令和键对象按协议格式追加到buf中
buf = catAppendOnlyExpireAtCommand(buf,cmd,argv[1],argv[2]);
// 其他命令直接按协议格式转换，然后追加到buf中
} else {
buf = catAppendOnlyGenericCommand(buf,argc,argv);
}
// 如果正在进行AOF，则将命令追加到AOF的缓存中，在重新进入事件循环之前，这些命令会被冲洗到磁盘上，并向client回复
if (server.aof_state == AOF_ON)
server.aof_buf = sdscatlen(server.aof_buf,buf,sdslen(buf));
// 如果后台正在进行重写，那么将命令追加到重写缓存区中，以便我们记录重写的AOF文件于当前数据库的差异
if (server.aof_child_pid != -1)
aofRewriteBufferAppend((unsigned char*)buf,sdslen(buf));
sdsfree(buf);
}
2.1.2 缓冲区同步到文件
既然缓冲区提供了高性能的保障，那么缓冲区中的数据安全问题如何解决呢？只要数据存在于缓冲区，那么就有丢失的危险。那么，如果控制同步的频率呢？Redis中给出了3中缓冲区同步文件的策略。
| 可配置值 | 说明 |
|---|---|
| AOF_FSYNC_ALWAYS | 命令写入aof_buf后调用系统fsync和操作同步到AOF文件，fsync完成后进程程返回 |
| AOF_FSYNC_EVERYSEC | 命令写入aof_buf后调用系统write操作，write完成后线程返回。fsync同步文件操作由进程每秒调用一次 |
| AOF_FSYNC_NO | 命令写入aof_buf后调用系统write操作，不对AOF文件做fsync同步，同步硬盘由操作由操作系统负责 |
我们来了解一下，write和fsync操作，在系统中都做了哪些事：
- write操作 ：会触发 延迟写（delayed write）机制 。Linux在内核提供 页缓冲 区用来提高IO性能，因此，write操作在将数据写入操作系统的缓冲区后就直接返回，而不一定触发同步到磁盘的操作。只有在页空间写满，或者达到特定的时间周期，才会同步到磁盘。因此单纯的write操作也是有数据丢失的风险。
- fsync操作 ：针对单个文件操作，做强制硬盘同步，fsync将阻塞直到写入硬盘完成后返回。
虽然Redis提供了三种同步策略， 兼顾安全和性能的同步策略是：AOF_FSYNC_EVERYSEC。 但是仍有丢失数据的风险，而且 不是一秒而是两秒 的数据，接下来就看同步的源码实现：
// 将AOF缓存写到磁盘中
// 因为我们需要在回复client之前对AOF执行写操作，唯一的机会是在事件loop中，因此累计所有的AOF到缓存中，在下一次重新进入事件loop之前将缓存写到AOF文件中
// 关于force参数
// 当fsync被设置为每秒执行一次，如果后台仍有线程正在执行fsync操作，我们可能会延迟flush操作，因为write操作可能会被阻塞，当发生这种情况时，说明需要尽快的执行flush操作，会调用 serverCron() 函数。
// 然而如果force被设置为1，我们会无视后台的fsync，直接进行写入操作
#define AOF_WRITE_LOG_ERROR_RATE 30 /* Seconds between errors logging. */
// 将AOF缓存冲洗到磁盘中
void flushAppendOnlyFile(int force) {
ssize_t nwritten;
int sync_in_progress = 0;
mstime_t latency;
// 如果缓冲区中没有数据，直接返回
if (sdslen(server.aof_buf) == 0) return;
// 同步策略是每秒同步一次
if (server.aof_fsync == AOF_FSYNC_EVERYSEC)
// AOF同步操作是否在后台正在运行
sync_in_progress = bioPendingJobsOfType(BIO_AOF_FSYNC) != 0;
// 同步策略是每秒同步一次，且不是强制同步的
if (server.aof_fsync == AOF_FSYNC_EVERYSEC && !force) {
/* With this append fsync policy we do background fsyncing.
* If the fsync is still in progress we can try to delay
* the write for a couple of seconds. */
// 根据这个同步策略，且没有设置强制执行，我们在后台执行同步
// 如果同步已经在后台执行，那么可以延迟两秒，如果设置了force，那么服务器会阻塞在write操作上
// 如果后台正在执行同步
if (sync_in_progress) {
// 延迟执行flush操作的开始时间为0，表示之前没有延迟过write
if (server.aof_flush_postponed_start == 0) {
/* No previous write postponing, remember that we are
* postponing the flush and return. */
// 之前没有延迟过write操作，那么将延迟write操作的开始时间保存下来，然后就直接返回
server.aof_flush_postponed_start = server.unixtime;
return;
// 如果之前延迟过write操作，如果没到2秒，直接返回，不执行write
} else if (server.unixtime - server.aof_flush_postponed_start < 2) {
/* We were already waiting for fsync to finish, but for less
* than two seconds this is still ok. Postpone again. */
return;
}
/* Otherwise fall trough, and go write since we can't wait
* over two seconds. */
// 执行到这里，表示后台正在执行fsync，但是延迟时间已经超过2秒
// 那么执行write操作，此时write会被阻塞
server.aof_delayed_fsync++;
serverLog(LL_NOTICE,"Asynchronous AOF fsync is taking too long (disk is busy?). Writing the AOF buffer without waiting for fsync to complete, this may slow down Redis.");
}
}
/* We want to perform a single write. This should be guaranteed atomic
* at least if the filesystem we are writing is a real physical one.
* While this will save us against the server being killed I don't think
* there is much to do about the whole server stopping for power problems
* or alike */
// 执行write操作，保证写操作是原子操作
// 设置延迟检测开始的时间
latencyStartMonitor(latency);
// 将缓冲区的内容写到AOF文件中
nwritten = write(server.aof_fd,server.aof_buf,sdslen(server.aof_buf));
// 设置延迟的时间 = 当前的时间 - 开始的时间
latencyEndMonitor(latency);
/* We want to capture different events for delayed writes:
* when the delay happens with a pending fsync, or with a saving child
* active, and when the above two conditions are missing.
* We also use an additional event name to save all samples which is
* useful for graphing / monitoring purposes. */
// 捕获不同造成延迟write的事件
// 如果正在后台执行同步fsync
if (sync_in_progress) {
// 将latency和"aof-write-pending-fsync"关联到延迟诊断字典中
latencyAddSampleIfNeeded("aof-write-pending-fsync",latency);
// 如果正在执行AOF或正在执行RDB
} else if (server.aof_child_pid != -1 || server.rdb_child_pid != -1) {
// 将latency和"aof-write-active-child"关联到延迟诊断字典中
latencyAddSampleIfNeeded("aof-write-active-child",latency);
} else {
// 将latency和"aof-write-alone"关联到延迟诊断字典中
latencyAddSampleIfNeeded("aof-write-alone",latency);
}
// 将latency和"aof-write"关联到延迟诊断字典中
latencyAddSampleIfNeeded("aof-write",latency);
/* We performed the write so reset the postponed flush sentinel to zero. */
// 执行了write，所以清零延迟flush的时间
server.aof_flush_postponed_start = 0;
// 如果写入的字节数不等于缓存的字节数，发生异常错误
if (nwritten != (signed)sdslen(server.aof_buf)) {
static time_t last_write_error_log = 0;
int can_log = 0;
/* Limit logging rate to 1 line per AOF_WRITE_LOG_ERROR_RATE seconds. */
// 限制日志的频率每行30秒
if ((server.unixtime - last_write_error_log) > AOF_WRITE_LOG_ERROR_RATE) {
can_log = 1;
last_write_error_log = server.unixtime;
}
/* Log the AOF write error and record the error code. */
// 如果写入错误，写errno到日志
if (nwritten == -1) {
if (can_log) {
serverLog(LL_WARNING,"Error writing to the AOF file: %s",
strerror(errno));
server.aof_last_write_errno = errno;
}
// 如果是写了一部分，发生错误
} else {
if (can_log) {
serverLog(LL_WARNING,"Short write while writing to "
"the AOF file: (nwritten=%lld, "
"expected=%lld)",
(long long)nwritten,
(long long)sdslen(server.aof_buf));
}
// 将追加的内容截断，删除了追加的内容，恢复成原来的文件
if (ftruncate(server.aof_fd, server.aof_current_size) == -1) {
if (can_log) {
serverLog(LL_WARNING, "Could not remove short write "
"from the append-only file. Redis may refuse "
"to load the AOF the next time it starts. "
"ftruncate: %s", strerror(errno));
}
} else {
/* If the ftruncate() succeeded we can set nwritten to
* -1 since there is no longer partial data into the AOF. */
nwritten = -1;
}
server.aof_last_write_errno = ENOSPC;
}
/* Handle the AOF write error. */
// 如果是写入的策略为每次写入就同步，无法恢复这种策略的写，因为我们已经告知使用者，已经将写的数据同步到磁盘了，因此直接退出程序
if (server.aof_fsync == AOF_FSYNC_ALWAYS) {
/* We can't recover when the fsync policy is ALWAYS since the
* reply for the client is already in the output buffers, and we
* have the contract with the user that on acknowledged write data
* is synced on disk. */
serverLog(LL_WARNING,"Can't recover from AOF write error when the AOF fsync policy is 'always'. Exiting...");
exit(1);
} else {
/* Recover from failed write leaving data into the buffer. However
* set an error to stop accepting writes as long as the error
* condition is not cleared. */
//设置执行write操作的状态
server.aof_last_write_status = C_ERR;
/* Trim the sds buffer if there was a partial write, and there
* was no way to undo it with ftruncate(2). */
// 如果只写入了局部，没有办法用ftruncate()函数去恢复原来的AOF文件
if (nwritten > 0) {
// 只能更新当前的AOF文件的大小
server.aof_current_size += nwritten;
// 删除AOF缓冲区写入的字节数
sdsrange(server.aof_buf,nwritten,-1);
}
return; /* We'll try again on the next call... */
}
// nwritten == (signed)sdslen(server.aof_buf
// 执行write写入成功
} else {
/* Successful write(2). If AOF was in error state, restore the
* OK state and log the event. */
// 更新最近一次写的状态为 C_OK
if (server.aof_last_write_status == C_ERR) {
serverLog(LL_WARNING,
"AOF write error looks solved, Redis can write again.");
server.aof_last_write_status = C_OK;
}
}
// 只能更新当前的AOF文件的大小
server.aof_current_size += nwritten;
/* Re-use AOF buffer when it is small enough. The maximum comes from the
* arena size of 4k minus some overhead (but is otherwise arbitrary). */
// 如果这个缓存足够小，小于4K，那么重用这个缓存，否则释放AOF缓存
if ((sdslen(server.aof_buf)+sdsavail(server.aof_buf)) < 4000) {
sdsclear(server.aof_buf); //将缓存内容清空，重用
} else {
sdsfree(server.aof_buf); //释放缓存空间
server.aof_buf = sdsempty();//创建一个新缓存
}
/* Don't fsync if no-appendfsync-on-rewrite is set to yes and there are
* children doing I/O in the background. */
// 如果no-appendfsync-on-rewrite被设置为yes，表示正在执行重写，则不执行fsync
// 或者正在执行 BGSAVE 或 BGWRITEAOF，也不执行
if (server.aof_no_fsync_on_rewrite &&
(server.aof_child_pid != -1 || server.rdb_child_pid != -1))
return;
/* Perform the fsync if needed. */
// 执行fsync进行同步，每次写入都同步
if (server.aof_fsync == AOF_FSYNC_ALWAYS) {
/* aof_fsync is defined as fdatasync() for Linux in order to avoid
* flushing metadata. */
// 设置延迟检测开始的时间
latencyStartMonitor(latency);
// Linux下调用fdatasync()函数更高效的执行同步
aof_fsync(server.aof_fd); /* Let's try to get this data on the disk */
// 设置延迟的时间 = 当前的时间 - 开始的时间
latencyEndMonitor(latency);
// 将latency和"aof-fsync-always"关联到延迟诊断字典中
latencyAddSampleIfNeeded("aof-fsync-always",latency);
// 更新最近一次执行同步的时间
server.aof_last_fsync = server.unixtime;
// 每秒执行一次同步，当前时间大于上一次执行同步的时间
} else if ((server.aof_fsync == AOF_FSYNC_EVERYSEC &&
server.unixtime > server.aof_last_fsync)) {
// 如果没有正在执行同步，那么在后台开一个线程执行同步
if (!sync_in_progress) aof_background_fsync(server.aof_fd);
// 更新最近一次执行同步的时间
server.aof_last_fsync = server.unixtime;
}
}
2.2 重写机制
当一个数据库的命令非常多时，AOF文件就会非常大，为了解决这个问题，Redis引入了AOF重写机制来压缩文件的体积。
2.2.1 AOF重写的方式
- 进程内已经超时的数据不在写入文件。
- 无效命令不在写入文件。
- 多条写的命令合并成一个。
总之，AOF总是记录数据库的最终状态的一个命令集。类似于物理中的位移与路程的关系，位移总是关心的是启动到终点距离，而不关心是如何从起点到达终点。
2.2.2 触发机制
-
手动触发：BGREWRITEAOF 命令。
-
自动触发：根据
redis.conf的两个参数确定触发的时机。- auto-aof-rewrite-percentage 100：当前AOF的文件空间(aof_current_size)和上一次重写后AOF文件空间(aof_base_size)的比值。
- auto-aof-rewrite-min-size 64mb：表示运行AOF重写时文件最小的体积。
- 自动触发时机 = (aof_current_size > auto-aof-rewrite-min-size && (aof_current_size - aof_base_size) / aof_base_size >= auto-aof-rewrite-percentage)
2.2.3 AOF重写的实现
AOF重写操作有可能会长时间阻塞服务器主进程，因此会fork()一个子进程在后台进行重写，然后父进程就可以继续响应命令请求。虽然解决了阻塞问题，但是有产生了新问题：子进程在重写期间，服务其还会处理新的命令请求，而这些命令可能灰度数据库的状态进行更改，从而使当前的数据库状态和AOF重写之后保存的状态不一致。
因此Redis设置了一个AOF重写缓冲区的结构。
// AOF缓冲区大小
#define AOF_RW_BUF_BLOCK_SIZE (1024*1024*10) /* 10 MB per block */
// AOF块缓冲区结构
typedef struct aofrwblock {
// 当前已经使用的和可用的字节数
unsigned long used, free;
// 缓冲区
char buf[AOF_RW_BUF_BLOCK_SIZE];
} aofrwblock;
重写缓冲区并不是一个大块的内存空间，而是一些内存块的链表，没个内存块的大小为10MB，这样就组成了一个重写缓冲区。
因此当客户端发来命令时，会执行以下操作：
- 执行客户端的命令。
- 将执行后的写命令追加到AOF缓冲区（server.aof_buf）中。
- 将执行后的写命令追加到AOF重写缓冲区（server.aof_rewrite_buf_blocks）中。
这样以来就不会丢失子进程重写期间，父进程新处理的写命令了。
于是，我们查看一下后台执行重写操作的源码。
// 以下是BGREWRITEAOF的工作步骤
// 1. 用户调用BGREWRITEAOF
// 2. Redis调用这个函数，它执行fork()
// 2.1 子进程在临时文件中执行重写操作
// 2.2 父进程将累计的差异数据追加到server.aof_rewrite_buf中
// 3. 当子进程完成2.1
// 4. 父进程会捕捉到子进程的退出码，如果是OK，那么追加累计的差异数据到临时文件，并且对临时文件rename，用它代替旧的AOF文件，然后就完成AOF的重写。
int rewriteAppendOnlyFileBackground(void) {
pid_t childpid;
long long start;
// 如果正在进行重写或正在进行RDB持久化操作，则返回C_ERR
if (server.aof_child_pid != -1 || server.rdb_child_pid != -1) return C_ERR;
// 创建父子进程间通信的管道
if (aofCreatePipes() != C_OK) return C_ERR;
// 记录fork()开始时间
start = ustime();
// 子进程
if ((childpid = fork()) == 0) {
char tmpfile[256];
/* Child */
// 关闭监听的套接字
closeListeningSockets(0);
// 设置进程名字
redisSetProcTitle("redis-aof-rewrite");
// 创建临时文件
snprintf(tmpfile,256,"temp-rewriteaof-bg-%d.aof", (int) getpid());
// 对临时文件进行AOF重写
if (rewriteAppendOnlyFile(tmpfile) == C_OK) {
// 获取子进程使用的内存空间大小
size_t private_dirty = zmalloc_get_private_dirty();
if (private_dirty) {
serverLog(LL_NOTICE,
"AOF rewrite: %zu MB of memory used by copy-on-write",
private_dirty/(1024*1024));
}
// 成功退出子进程
exitFromChild(0);
} else {
// 异常退出子进程
exitFromChild(1);
}
// 父进程
} else {
/* Parent */
// 设置fork()函数消耗的时间
server.stat_fork_time = ustime()-start;
// 计算fork的速率，GB/每秒
server.stat_fork_rate = (double) zmalloc_used_memory() * 1000000 / server.stat_fork_time / (1024*1024*1024); /* GB per second. */
// 将"fork"和fork消耗的时间关联到延迟诊断字典中
latencyAddSampleIfNeeded("fork",server.stat_fork_time/1000);
if (childpid == -1) {
serverLog(LL_WARNING,
"Can't rewrite append only file in background: fork: %s",
strerror(errno));
return C_ERR;
}
// 打印日志
serverLog(LL_NOTICE,
"Background append only file rewriting started by pid %d",childpid);
// 将AOF日程标志清零
server.aof_rewrite_scheduled = 0;
// AOF开始的时间
server.aof_rewrite_time_start = time(NULL);
// 设置AOF重写的子进程pid
server.aof_child_pid = childpid;
// 在AOF或RDB期间，不能对哈希表进行resize操作
updateDictResizePolicy();
// 将aof_selected_db设置为-1，强制让feedAppendOnlyFile函数执行时，执行一个select命令
server.aof_selected_db = -1;
// 清空脚本缓存
replicationScriptCacheFlush();
return C_OK;
}
return C_OK; /* unreached */
}
服务器主进程执行了fork操作生成一个子进程执行rewriteAppendOnlyFile()函数进行对临时文件的重写操作。
rewriteAppendOnlyFile()函数源码如下：
// 写一系列的命令，用来完全重建数据集到filename文件中，被 REWRITEAOF and BGREWRITEAOF调用
// 为了使重建数据集的命令数量最小，Redis会使用 可变参的命令，例如RPUSH, SADD 和 ZADD。
// 然而每次单个命令的元素数量不能超过AOF_REWRITE_ITEMS_PER_CMD
int rewriteAppendOnlyFile(char *filename) {
dictIterator *di = NULL;
dictEntry *de;
rio aof;
FILE *fp;
char tmpfile[256];
int j;
long long now = mstime();
char byte;
size_t processed = 0;
// 创建临时文件的名字保存到tmpfile中
snprintf(tmpfile,256,"temp-rewriteaof-%d.aof", (int) getpid());
// 打开文件
fp = fopen(tmpfile,"w");
if (!fp) {
serverLog(LL_WARNING, "Opening the temp file for AOF rewrite in rewriteAppendOnlyFile(): %s", strerror(errno));
return C_ERR;
}
// 设置一个空sds给 保存子进程AOF时差异累计数据的sds
server.aof_child_diff = sdsempty();
// 初始化rio为文件io对象
rioInitWithFile(&aof,fp);
// 如果开启了增量时同步，防止在缓存中累计太多命令，造成写入时IO阻塞时间过长
if (server.aof_rewrite_incremental_fsync)
// 设置自动同步的字节数限制为AOF_AUTOSYNC_BYTES = 32MB
rioSetAutoSync(&aof,AOF_AUTOSYNC_BYTES);
// 遍历所有的数据库
for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
// 按照格式构建 SELECT 命令内容
char selectcmd[] = "*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n";
// 当前数据库指针
redisDb *db = server.db+j;
// 数据库的键值对字典
dict *d = db->dict;
// 如果数据库中没有键值对则跳过当前数据库
if (dictSize(d) == 0) continue;
// 创建一个安全的字典迭代器
di = dictGetSafeIterator(d);
if (!di) {
// 创建失败返回C_ERR
fclose(fp);
return C_ERR;
}
// 将SELECT 命令写入AOF文件，确保后面的命令能正确载入到数据库
if (rioWrite(&aof,selectcmd,sizeof(selectcmd)-1) == 0) goto werr;
// 将数据库的ID吸入AOF文件
if (rioWriteBulkLongLong(&aof,j) == 0) goto werr;
// 遍历保存当前数据的键值对的字典
while((de = dictNext(di)) != NULL) {
sds keystr;
robj key, *o;
long long expiretime;
// 当前节点保存的键值
keystr = dictGetKey(de);
// 当前节点保存的值对象
o = dictGetVal(de);
// 初始化一个在栈中分配的键对象
initStaticStringObject(key,keystr);
// 获取该键值对的过期时间
expiretime = getExpire(db,&key);
// 如果当前键已经过期，则跳过该键
if (expiretime != -1 && expiretime < now) continue;
// 根据值的对象类型，将键值对写到AOF文件中
// 值为字符串类型对象
if (o->type == OBJ_STRING) {
char cmd[]="*3\r\n$3\r\nSET\r\n";
// 按格式写入SET命令
if (rioWrite(&aof,cmd,sizeof(cmd)-1) == 0) goto werr;
/* Key and value */
// 按格式写入键值对对象
if (rioWriteBulkObject(&aof,&key) == 0) goto werr;
if (rioWriteBulkObject(&aof,o) == 0) goto werr;
// 值为列表类型对象
} else if (o->type == OBJ_LIST) {
// 重建一个列表对象命令，将键值对按格式写入
if (rewriteListObject(&aof,&key,o) == 0) goto werr;
// 值为集合类型对象
} else if (o->type == OBJ_SET) {
// 重建一个集合对象命令，将键值对按格式写入
if (rewriteSetObject(&aof,&key,o) == 0) goto werr;
// 值为有序集合类型对象
} else if (o->type == OBJ_ZSET) {
// 重建一个有序集合对象命令，将键值对按格式写入
if (rewriteSortedSetObject(&aof,&key,o) == 0) goto werr;
// 值为哈希类型对象
} else if (o->type == OBJ_HASH) {
// 重建一个哈希对象命令，将键值对按格式写入
if (rewriteHashObject(&aof,&key,o) == 0) goto werr;
} else {
serverPanic("Unknown object type");
}
// 如果该键有过期时间，且没过期，写入过期时间
if (expiretime != -1) {
char cmd[]="*3\r\n$9\r\nPEXPIREAT\r\n";
// 将过期键时间全都以Unix时间写入
if (rioWrite(&aof,cmd,sizeof(cmd)-1) == 0) goto werr;
if (rioWriteBulkObject(&aof,&key) == 0) goto werr;
if (rioWriteBulkLongLong(&aof,expiretime) == 0) goto werr;
}
// 在rio的缓存中每次写了10M，就从父进程读累计的差异，保存到子进程的aof_child_diff中
if (aof.processed_bytes > processed+1024*10) {
// 更新已写的字节数
processed = aof.processed_bytes;
// 从父进程读累计写入的缓冲区的差异，在重写结束时链接到文件的结尾
aofReadDiffFromParent();
}
}
dictReleaseIterator(di); //释放字典迭代器
di = NULL;
}
// 当父进程仍然在发送数据时，先执行一个缓慢的同步，以便下一次最中的同步更快
if (fflush(fp) == EOF) goto werr;
if (fsync(fileno(fp)) == -1) goto werr;
// 再次从父进程读取几次数据，以获得更多的数据，我们无法一直读取，因为服务器从client接受的数据总是比发送给子进程要快，所以当数据来临的时候，我们尝试从在循环中多次读取。
// 如果在20ms之内没有新的数据到来，那么我们终止读取
int nodata = 0;
mstime_t start = mstime(); //读取的开始时间
// 在20ms之内等待数据到来
while(mstime()-start < 1000 && nodata < 20) {
// 在1ms之内，查看从父进程读数据的fd是否变成可读的，若不可读则aeWait()函数返回0
if (aeWait(server.aof_pipe_read_data_from_parent, AE_READABLE, 1) <= 0)
{
nodata++; //更新新数据到来的时间，超过20ms则退出while循环
continue;
}
// 当管道的读端可读时，清零nodata
nodata = 0; /* Start counting from zero, we stop on N *contiguous* timeouts. */
// 从父进程读累计写入的缓冲区的差异，在重写结束时链接到文件的结尾
aofReadDiffFromParent();
}
// 请求父进程停止发送累计差异数据
if (write(server.aof_pipe_write_ack_to_parent,"!",1) != 1) goto werr;
// 将从父进程读ack的fd设置为非阻塞模式
if (anetNonBlock(NULL,server.aof_pipe_read_ack_from_parent) != ANET_OK)
goto werr;
// 在5000ms之内，从fd读1个字节的数据保存在byte中，查看byte是否是'!'
if (syncRead(server.aof_pipe_read_ack_from_parent,&byte,1,5000) != 1 ||
byte != '!') goto werr;
// 如果收到的是父进程发来的'!'，则打印日志
serverLog(LL_NOTICE,"Parent agreed to stop sending diffs. Finalizing AOF...");
// 最后一次从父进程读累计写入的缓冲区的差异
aofReadDiffFromParent();
serverLog(LL_NOTICE,
"Concatenating %.2f MB of AOF diff received from parent.",
(double) sdslen(server.aof_child_diff) / (1024*1024));
// 将子进程aof_child_diff中保存的差异数据写到AOF文件中
if (rioWrite(&aof,server.aof_child_diff,sdslen(server.aof_child_diff)) == 0)
goto werr;
// 再次冲洗文件缓冲区，执行同步操作
if (fflush(fp) == EOF) goto werr;
if (fsync(fileno(fp)) == -1) goto werr;
if (fclose(fp) == EOF) goto werr; //关闭文件
// 原子性的将临时文件的名字，改成appendonly.aof
if (rename(tmpfile,filename) == -1) {
serverLog(LL_WARNING,"Error moving temp append only file on the final destination: %s", strerror(errno));
unlink(tmpfile);
return C_ERR;
}
// 打印日志
serverLog(LL_NOTICE,"SYNC append only file rewrite performed");
return C_OK;
// 写错误处理
werr:
serverLog(LL_WARNING,"Write error writing append only file on disk: %s", strerror(errno));
fclose(fp);
unlink(tmpfile);
if (di) dictReleaseIterator(di);
return C_ERR;
}
我们可以看到在关闭文件之前，多次执行了从重写缓冲区做读操作的aofReadDiffFromParent()。在最后执行了rioWrite(&aof,server.aof_child_diff,sdslen(server.aof_child_diff)操作，这就是把AOF重写缓冲区保存服务器主进程新命令追加写到AOF文件中，以此保证了AOF文件的数据状态和数据库的状态一致。
2.3 父子进程间的通信
整个重写的过程中，父子进行通信的地方只有一个，那就是最后父进程在子进程做重写操作完成时，把子进程重写操作期间所执行的新命令发送给子进程的重写缓冲区，子进程然后将重写缓冲区的数据追加到AOF文件中。
而父进程是如何将差异数据发送给子进程呢？Redis中使用了 管道技术 。进程间通信(IPC)之管道详解
在上文提到的rewriteAppendOnlyFileBackground()函数首先就创建了父子通信的管道。
父子进程间通信时共创建了三组管道
//下面两个是发送差异数据管道
int aof_pipe_write_data_to_child; //父进程写给子进程的文件描述符
int aof_pipe_read_data_from_parent; //子进程从父进程读的文件描述符
//下面四个是应答ack的管道
int aof_pipe_write_ack_to_parent; //子进程写ack给父进程的文件描述符
int aof_pipe_read_ack_from_child; //父进程从子进程读ack的文件描述符
int aof_pipe_write_ack_to_child; //父进程写ack给子进程的文件描述符
int aof_pipe_read_ack_from_parent; //子进程从父进程读ack的文件描述符
当将feedAppendOnlyFile()将命令追加到缓冲区的同时，还在最后调用了aofRewriteBufferAppend()函数，这个函数就是将命令追加到AOF的缓冲区，然而，在追加完成后会执行这么一段代码
// 获取当前事件正在监听的类型，如果等于0，未设置，则设置管道aof_pipe_write_data_to_child为可写状态
// 当然aof_pipe_write_data_to_child可以用的时候，调用aofChildWriteDiffDatah()函数写数据
if (aeGetFileEvents(server.el,server.aof_pipe_write_data_to_child) == 0) {
aeCreateFileEvent(server.el, server.aof_pipe_write_data_to_child,
AE_WRITABLE, aofChildWriteDiffData, NULL);
}
当然aof_pipe_write_data_to_child可以写的时候，调用aofChildWriteDiffDatah()函数写数据，而在aofChildWriteDiffDatah()函数中，则将重写缓冲区数据写到管道中。函数源码如下：
// 事件处理程序发送一些数据给正在做AOF重写的子进程，我们发送AOF缓冲区一部分不同的数据给子进程，当子进程完成重写时，重写的文件会比较小
void aofChildWriteDiffData(aeEventLoop *el, int fd, void *privdata, int mask) {
listNode *ln;
aofrwblock *block;
ssize_t nwritten;
UNUSED(el);
UNUSED(fd);
UNUSED(privdata);
UNUSED(mask);
while(1) {
// 获取缓冲块链表的头节点地址
ln = listFirst(server.aof_rewrite_buf_blocks);
// 获取缓冲块地址
block = ln ? ln->value : NULL;
// 如果aof_stop_sending_diff为真，则停止发送累计的不同数据给子进程，或者缓冲块为空
// 则将管道的写端从服务器的监听队列中删除
if (server.aof_stop_sending_diff || !block) {
aeDeleteFileEvent(server.el,server.aof_pipe_write_data_to_child,
AE_WRITABLE);
return;
}
// 如果已经有缓存的数据
if (block->used > 0) {
// 则将缓存的数据写到管道中
nwritten = write(server.aof_pipe_write_data_to_child,
block->buf,block->used);
if (nwritten <= 0) return;
// 更新缓冲区的数据，覆盖掉已经写到管道的数据
memmove(block->buf,block->buf+nwritten,block->used-nwritten);
block->used -= nwritten;
}
// 如果当前节点的所缓冲的数据全部写完，则删除该节点
if (block->used == 0) listDelNode(server.aof_rewrite_buf_blocks,ln);
}
}
而在上面展示到的rewriteAppendOnlyFile()函数中，则当aof_pipe_read_data_from_parent可读时，不断调用aofReadDiffFromParent()函数的从管道读数据，这样就实现了父子进程的通信。该函数源码如下：
// 该函数在子进程正在进行重写AOF文件时调用
// 用来读从父进程累计写入的缓冲区的差异，在重写结束时链接到文件的结尾
ssize_t aofReadDiffFromParent(void) {
// 大多数Linux系统中默认的管道大小
char buf[65536]; /* Default pipe buffer size on most Linux systems. */
ssize_t nread, total = 0;
// 从父进程读数据到buf中，读了nread个字节
while ((nread =
read(server.aof_pipe_read_data_from_parent,buf,sizeof(buf))) > 0) {
// 将buf中的数据累计到子进程的差异累计的sds中
server.aof_child_diff = sdscatlen(server.aof_child_diff,buf,nread);
// 更新总的累计字节数
total += nread;
}
return total;
}
从中可以看到，子进程从管道读的数据全部保存在server.aof_child_diff中。
2.4 AOF文件的载入
因为Redis命令总是在一个客户端中执行，因此，为了载入AOF文件，需要创建一个关闭监听套接字的伪客户端。AOF文件的载入和写入是相反的过程，因此比较简单，直接给出注释的源码：Redis AOF持久化机制源码注释
// 执行AOF文件中的命令
// 成功返回C_OK，出现非致命错误返回C_ERR，例如AOF文件长度为0，出现致命错误打印日志退出
int loadAppendOnlyFile(char *filename) {
struct client *fakeClient;
FILE *fp = fopen(filename,"r"); //以读打开AOF文件
struct redis_stat sb;
int old_aof_state = server.aof_state; //备份当前AOF的状态
long loops = 0;
off_t valid_up_to = 0; /* Offset of the latest well-formed command loaded. */
// 如果文件打开，但是大小为0，则返回C_ERR
if (fp && redis_fstat(fileno(fp),&sb) != -1 && sb.st_size == 0) {
server.aof_current_size = 0;
fclose(fp);
return C_ERR;
}
// 如果文件打开失败，打印日志，退出
if (fp == NULL) {
serverLog(LL_WARNING,"Fatal error: can't open the append log file for reading: %s",strerror(errno));
exit(1);
}
/* Temporarily disable AOF, to prevent EXEC from feeding a MULTI
* to the same file we're about to read. */
// 暂时关闭AOF，防止在执行MULTI时，EXEC命令被传播到AOF文件中
server.aof_state = AOF_OFF;
// 生成一个伪client
fakeClient = createFakeClient();
// 设置载入的状态信息
startLoading(fp);
while(1) {
int argc, j;
unsigned long len;
robj **argv;
char buf[128];
sds argsds;
struct redisCommand *cmd;
/* Serve the clients from time to time */
// 间隔性的处理client请求
if (!(loops++ % 1000)) {
// ftello(fp)返回当前文件载入的偏移量
// 设置载入时server的状态信息，更新当前载入的进度
loadingProgress(ftello(fp));
// 在服务器被阻塞的状态下，仍然能处理请求
// 因为当前处于载入状态，当client的请求到来时，总是返回loading的状态错误
processEventsWhileBlocked();
}
// 将一行文件内容读到buf中，遇到"\r\n"停止
if (fgets(buf,sizeof(buf),fp) == NULL) {
if (feof(fp)) //如果文件已经读完了或数据库为空，则跳出while循环
break;
else
goto readerr;
}
// 检查文件格式 "*<argc>\r\n"
if (buf[0] != '*') goto fmterr;
if (buf[1] == '\0') goto readerr;
// 取出命令参数个数
argc = atoi(buf+1);
if (argc < 1) goto fmterr; //至少一个参数，就是当前命令
// 分配参数列表空间
argv = zmalloc(sizeof(robj*)*argc);
// 设置伪client的参数列表
fakeClient->argc = argc;
fakeClient->argv = argv;
// 遍历参数列表
// "$<command_len>\r\n<command>\r\n"
for (j = 0; j < argc; j++) {
// 读一行内容到buf中，遇到"\r\n"停止
if (fgets(buf,sizeof(buf),fp) == NULL) {
fakeClient->argc = j; /* Free up to j-1. */
freeFakeClientArgv(fakeClient);
goto readerr;
}
// 检查格式
if (buf[0] != '$') goto fmterr;
// 读出参数的长度len
len = strtol(buf+1,NULL,10);
// 初始化一个len长度的sds
argsds = sdsnewlen(NULL,len);
// 从文件中读出一个len字节长度，将值保存到argsds中
if (len && fread(argsds,len,1,fp) == 0) {
sdsfree(argsds);
fakeClient->argc = j; /* Free up to j-1. */
freeFakeClientArgv(fakeClient);
goto readerr;
}
// 创建一个字符串对象保存读出的参数argsds
argv[j] = createObject(OBJ_STRING,argsds);
// 读两个字节，跳过"\r\n"
if (fread(buf,2,1,fp) == 0) {
fakeClient->argc = j+1; /* Free up to j. */
freeFakeClientArgv(fakeClient);
goto readerr; /* discard CRLF */
}
}
/* Command lookup */
// 查找命令
cmd = lookupCommand(argv[0]->ptr);
if (!cmd) {
serverLog(LL_WARNING,"Unknown command '%s' reading the append only file", (char*)argv[0]->ptr);
exit(1);
}
/* Run the command in the context of a fake client */
// 调用伪client执行命令
cmd->proc(fakeClient);
/* The fake client should not have a reply */
// 伪client不应该有回复
serverAssert(fakeClient->bufpos == 0 && listLength(fakeClient->reply) == 0);
/* The fake client should never get blocked */
// 伪client不应该是阻塞的
serverAssert((fakeClient->flags & CLIENT_BLOCKED) == 0);
/* Clean up. Command code may have changed argv/argc so we use the
* argv/argc of the client instead of the local variables. */
// 释放伪client的参数列表
freeFakeClientArgv(fakeClient);
// 更新已载入且命令合法的当前文件的偏移量
if (server.aof_load_truncated) valid_up_to = ftello(fp);
}
/* This point can only be reached when EOF is reached without errors.
* If the client is in the middle of a MULTI/EXEC, log error and quit. */
// 执行到这里，说明AOF文件的所有内容都被正确的读取
// 如果伪client处于 MULTI/EXEC 的环境中，还有检测文件是否包含正确事物的结束，调到uxeof
if (fakeClient->flags & CLIENT_MULTI) goto uxeof;
// 载入成功
loaded_ok: /* DB loaded, cleanup and return C_OK to the caller. */
fclose(fp); //关闭文件
freeFakeClient(fakeClient); //释放伪client
server.aof_state = old_aof_state; //还原AOF状态
stopLoading(); //设置载入完成的状态
aofUpdateCurrentSize(); //更新服务器状态，当前AOF文件的大小
server.aof_rewrite_base_size = server.aof_current_size; //更新重写的大小
return C_OK;
// 载入时读错误，如果feof(fp)为真，则直接执行 uxeof
readerr: /* Read error. If feof(fp) is true, fall through to unexpected EOF. */
if (!feof(fp)) {
// 退出前释放伪client的空间
if (fakeClient) freeFakeClient(fakeClient); /* avoid valgrind warning */
serverLog(LL_WARNING,"Unrecoverable error reading the append only file: %s", strerror(errno));
exit(1);
}
// 不被预期的AOF文件结束格式
uxeof: /* Unexpected AOF end of file. */
// 如果发现末尾结束格式不完整则自动截掉,成功加载前面正确的数据。
if (server.aof_load_truncated) {
serverLog(LL_WARNING,"!!! Warning: short read while loading the AOF file !!!");
serverLog(LL_WARNING,"!!! Truncating the AOF at offset %llu !!!",
(unsigned long long) valid_up_to);
// 截断文件到正确加载的位置
if (valid_up_to == -1 || truncate(filename,valid_up_to) == -1) {
if (valid_up_to == -1) {
serverLog(LL_WARNING,"Last valid command offset is invalid");
} else {
serverLog(LL_WARNING,"Error truncating the AOF file: %s",
strerror(errno));
}
} else {
/* Make sure the AOF file descriptor points to the end of the
* file after the truncate call. */
// 确保截断后的文件指针指向文件的末尾
if (server.aof_fd != -1 && lseek(server.aof_fd,0,SEEK_END) == -1) {
serverLog(LL_WARNING,"Can't seek the end of the AOF file: %s",
strerror(errno));
} else {
serverLog(LL_WARNING,
"AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled");
goto loaded_ok; //跳转到loaded_ok，表截断成功，成功加载前面正确的数据。
}
}
}
// 退出前释放伪client的空间
if (fakeClient) freeFakeClient(fakeClient); /* avoid valgrind warning */
serverLog(LL_WARNING,"Unexpected end of file reading the append only file. You can: 1) Make a backup of your AOF file, then use ./redis-check-aof --fix <filename>. 2) Alternatively you can set the 'aof-load-truncated' configuration option to yes and restart the server.");
exit(1);
// 格式错误
fmterr: /* Format error. */
// 退出前释放伪client的空间
if (fakeClient) freeFakeClient(fakeClient); /* avoid valgrind warning */
serverLog(LL_WARNING,"Bad file format reading the append only file: make a backup of your AOF file, then use ./redis-check-aof --fix <filename>");
exit(1);
}
