AOF日志是如何实现的?

Redis在执行完一条写操作命令后,就会把该命令以追加的方式写入到一个文件里,然后 Redis 重启时,会读取该文件记录的命令,然后逐一执行命令的方式来进行数据恢复。

图片[1]-AOF日志是如何实现的?-不念博客

我这里以「set name xiaolin」命令作为例子,Redis 执行了这条命令后,记录在 AOF 日志里的内容如下图:

图片[2]-AOF日志是如何实现的?-不念博客

我这里给大家解释下。

「*3」表示当前命令有三个部分,每部分都是以「$+数字」开头,后面紧跟着具体的命令、键或值。然后,这里的「数字」表示这部分中的命令、键或值一共有多少字节。例如,「$3 set」表示这部分有 3 个字节,也就是「set」命令这个字符串的长度。

为什么先执行命令,再把数据写入日志呢?

Reids 是先执行写操作命令后,才将该命令记录到 AOF 日志里的,这么做其实有两个好处。

  • 避免额外的检查开销:因为如果先将写操作命令记录到 AOF 日志里,再执行该命令的话,如果当前的命令语法有问题,那么如果不进行命令语法检查,该错误的命令记录到 AOF 日志里后,Redis 在使用日志恢复数据时,就可能会出错。
  • 不会阻塞当前写操作命令的执行:因为当写操作命令执行成功后,才会将命令记录到 AOF 日志。

当然,这样做也会带来风险:

  • 数据可能会丢失: 执行写操作命令和记录日志是两个过程,那当 Redis 在还没来得及将命令写入到硬盘时,服务器发生宕机了,这个数据就会有丢失的风险。
  • 可能阻塞其他操作: 由于写操作命令执行成功后才记录到 AOF 日志,所以不会阻塞当前命令的执行,但因为 AOF 日志也是在主线程中执行,所以当 Redis 把日志文件写入磁盘的时候,还是会阻塞后续的操作无法执行。

AOF 写回策略有几种?

先来看看,Redis 写入 AOF 日志的过程,如下图:

图片[3]-AOF日志是如何实现的?-不念博客

具体说说:

  1. Redis 执行完写操作命令后,会将命令追加到 server.aof_buf 缓冲区;
  2. 然后通过 write() 系统调用,将 aof_buf 缓冲区的数据写入到 AOF 文件,此时数据并没有写入到硬盘,而是拷贝到了内核缓冲区 page cache,等待内核将数据写入硬盘;
  3. 具体内核缓冲区的数据什么时候写入到硬盘,由内核决定。

Redis 提供了 3 种写回硬盘的策略,控制的就是上面说的第三步的过程。 在 Redis.conf 配置文件中的 appendfsync 配置项可以有以下 3 种参数可填:

  • Always,这个单词的意思是「总是」,所以它的意思是每次写操作命令执行完后,同步将 AOF 日志数据写回硬盘;
  • Everysec,这个单词的意思是「每秒」,所以它的意思是每次写操作命令执行完后,先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区,然后每隔一秒将缓冲区里的内容写回到硬盘;
  • No,意味着不由 Redis 控制写回硬盘的时机,转交给操作系统控制写回的时机,也就是每次写操作命令执行完后,先将命令写入到 AOF 文件的内核缓冲区,再由操作系统决定何时将缓冲区内容写回硬盘。

我也把这 3 个写回策略的优缺点总结成了一张表格:

图片[4]-AOF日志是如何实现的?-不念博客

AOF 日志过大,会触发什么机制?

AOF 日志是一个文件,随着执行的写操作命令越来越多,文件的大小会越来越大。 如果当 AOF 日志文件过大就会带来性能问题,比如重启 Redis 后,需要读 AOF 文件的内容以恢复数据,如果文件过大,整个恢复的过程就会很慢。

所以,Redis 为了避免 AOF 文件越写越大,提供了 AOF 重写机制,当 AOF 文件的大小超过所设定的阈值后,Redis 就会启用 AOF 重写机制,来压缩 AOF 文件。

AOF 重写机制是在重写时,读取当前数据库中的所有键值对,然后将每一个键值对用一条命令记录到「新的 AOF 文件」,等到全部记录完后,就将新的 AOF 文件替换掉现有的 AOF 文件。

举个例子,在没有使用重写机制前,假设前后执行了「set name xiaolin」和「set name xiaolincoding」这两个命令的话,就会将这两个命令记录到 AOF 文件。

图片[5]-AOF日志是如何实现的?-不念博客

但是在使用重写机制后,就会读取 name 最新的 value(键值对) ,然后用一条 「set name xiaolincoding」命令记录到新的 AOF 文件,之前的第一个命令就没有必要记录了,因为它属于「历史」命令,没有作用了。这样一来,一个键值对在重写日志中只用一条命令就行了。

重写工作完成后,就会将新的 AOF 文件覆盖现有的 AOF 文件,这就相当于压缩了 AOF 文件,使得 AOF 文件体积变小了。

重写 AOF 日志的过程是怎样的?

Redis 的重写 AOF 过程是由后台子进程 bgrewriteaof 来完成的,这么做可以达到两个好处:

  • 子进程进行 AOF 重写期间,主进程可以继续处理命令请求,从而避免阻塞主进程;
  • 子进程带有主进程的数据副本,这里使用子进程而不是线程,因为如果是使用线程,多线程之间会共享内存,那么在修改共享内存数据的时候,需要通过加锁来保证数据的安全,而这样就会降低性能。而使用子进程,创建子进程时,父子进程是共享内存数据的,不过这个共享的内存只能以只读的方式,而当父子进程任意一方修改了该共享内存,就会发生「写时复制」,于是父子进程就有了独立的数据副本,就不用加锁来保证数据安全。

触发重写机制后,主进程就会创建重写 AOF 的子进程,此时父子进程共享物理内存,重写子进程只会对这个内存进行只读,重写 AOF 子进程会读取数据库里的所有数据,并逐一把内存数据的键值对转换成一条命令,再将命令记录到重写日志(新的 AOF 文件)。

但是重写过程中,主进程依然可以正常处理命令,那问题来了,重写 AOF 日志过程中,如果主进程修改了已经存在 key-value,那么会发生写时复制,此时这个 key-value 数据在子进程的内存数据就跟主进程的内存数据不一致了,这时要怎么办呢?

为了解决这种数据不一致问题,Redis 设置了一个 AOF 重写缓冲区,这个缓冲区在创建 bgrewriteaof 子进程之后开始使用。

在重写 AOF 期间,当 Redis 执行完一个写命令之后,它会同时将这个写命令写入到 「AOF 缓冲区」和 「AOF 重写缓冲区」

图片[6]-AOF日志是如何实现的?-不念博客

也就是说,在 bgrewriteaof 子进程执行 AOF 重写期间,主进程需要执行以下三个工作:

  • 执行客户端发来的命令;
  • 将执行后的写命令追加到 「AOF 缓冲区」;
  • 将执行后的写命令追加到 「AOF 重写缓冲区」;

当子进程完成 AOF 重写工作(扫描数据库中所有数据,逐一把内存数据的键值对转换成一条命令,再将命令记录到重写日志)后,会向主进程发送一条信号,信号是进程间通讯的一种方式,且是异步的。

主进程收到该信号后,会调用一个信号处理函数,该函数主要做以下工作:

  • 将 AOF 重写缓冲区中的所有内容追加到新的 AOF 的文件中,使得新旧两个 AOF 文件所保存的数据库状态一致;
  • 新的 AOF 的文件进行改名,覆盖现有的 AOF 文件。

信号函数执行完后,主进程就可以继续像往常一样处理命令了。

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