Redis源码走读及编程实践——数据安全篇（二）

导语

《Redis源码走读及编程实践——数据安全篇（一）》介绍了RDB的落地原理并走读了redis的RDB落地流程，本文继续介绍redis的另外一种数据落地机制AOF，从配置、原理三个角度介绍redis的AOF机制。因笔者能力有限，行文观点若有疏漏，恳请指正。更多后台开发文章移步：作者个人博客

AOF

如前所述，redis采取RDB的方式进行全内存镜像备份；但是这种方式开销大，不能频繁进行；为了降低数据丢失，redis采取记录操作流水的形式记录客户端每次对redis-server数据的修改，也就是AOF（Append Only File）。关于AOF，主要需要关注以下几个问题：

1. AOF具体的实现流程是怎样的？
2. AOF文件如何描述redis-server的DB操作？
3. 由于AOF是记录操作流水，AOF是如何解决操作流水中数据冗余的问题？

配置篇

Redis-server配置中和AOF相关的配置如下图：

Redis官方对于各个配置项的解释很清楚，这里简要介绍一下，具体可以参考redis发布包配置文件中的说明文档：

1. appendonly：redis默认采取RDB模式进行数据冷备；但是由于RDB模式开销比较大，频率不能太高，所以间隔之间挂机的话会有分钟级的数据丢失。而AOF则是可以保证秒级或者严格的无数据丢失，更加适用于数据比较重要的场景。
2. appendfilename：AOF落地写文件的文件名。
3. appendfsync：程序写磁盘实际是一个异步过程，实际只是将数据写到一个输出缓存；需要依次经过flush和fsync才能落到磁盘上；而appendfsync提供了写文件刷磁盘的机制，可以分别配置为：
   1. no：表示不强制刷盘，根据os调度自动执行，性能最高，但是落地延迟不确定
   2. everysec：每秒强制调用fsync落到磁盘，可以达到秒级的数据持久性；
   3. always：每写一条log，就调用一次fsync同步到磁盘，严格保证数据落地，但是性能较差
4. no-appendfsync-on-rewrite：当AOF配置为always或者everysec时，会强制fsync数据刷盘，但是当此时正在有线程执行bgsave或者AOF重写过程时，容易导致fsync阻塞时间过长，影响redis-server的性能，为此通过此配置项控制，若是后端有重写或者落地过程时，不执行刷盘机制。
5. auto-aof-rewrite-percentage和auto-aof-rewrite-min-size：针对前文所述，AOF记录的操作流水，则必然存在大量的数据冗余，因此AOF提供了AOF重写机制规避这种问题，这两个配置就是触发AOF重写的条件，一个是文件大小至少得达到一定大小（auto-aof-rewrite-min-size）才会触发AOF重写；其次，达到一定的变化量才会触发AOF重写（auto-aof-rewrite-percentage）。
6. aof-load-truncated：redis在运行过程中若是系统崩溃了，容易出现AOF文件被截断的情况，若是出现这种情况，通过此配置决定是否正常启动；若是配置yes，则表示接受AOF截断，然后尽可能多的从文件恢复数据；若是配置no，则发现出现截断则启动失败。

操作落地

所谓AOF（Append Only File）是redis在RDB之外的一种数据落地机制，区别于RDB全量备份内存镜像，AOF机制采取的是记录操作流水的方式实现数据落地，因此可以实践秒级甚至可以完全的无数据丢失。

Redis中，AOF落地其实分为三步：首先是写数据到AOF数据缓存区，然后是将数据从用户缓存区通过系统调用复制到内核缓存区，此时进程挂掉数据不会丢失，但是机器掉电或者系统崩溃会导致数据丢失；最后是写文件的数据从内核缓存区真正写入到磁盘，此时真正意义数据落地；可以通过手动调用flush和fsync强制数据刷到内核缓存区和强制数据落磁盘。

在redis中feedAppendOnlyFile完成上述流程的第一步，而flushAppendOnlyFile完成数据落内核缓存区和写磁盘两步：依次来看，首先是feedAppendOnlyFile接口：

1. feedAppendOnlyFile的调用时机：在redis-server实例接收到客户端的指令请求之后，会对比server的dirty值，若大于0，则表示最近一次执行的redis命令触发了DB的数据发生变化，那么与此同时aof_state指令打开，则意味着开启AOF机制，则此时调用feedAppendOnlyFile走记录日志流水的流程；
2. AOF机制中，类expireCommand命令都被转为pexpireCommandAt命令，类setexCommand的命令都被转为setCommand和pexpireatCommand命令；
3. AOF重写过程中，若是出现写DB操作出现，由于当前文件会被丢弃掉，所以在写文件的同时需要写复制积压缓存区，同步给子进程落地；

数据flush并没有完全实际意义上的数据落地，flushAppendOnlyFile才是实际完成数据落磁盘：

关于AOF数据落地，需要关注以下几点：

1. 对于always的落地策略，redis在flushAppendOnlyFile接口中是通过调用接口aof_fsync直接实现的；
2. 而对于everysec的落地机制，redis采取的是提交任务，然后交给后台线程执行落地指令；也就是说其实现在的redis-server实际上是多进程+多线程的框架；
3. 对于部分写入的场景，redis的机制是，发现只能部分写入，则认为写操作失败，写的数据全部回滚，通过truncate文件实现，并且在下次写入的时候重新尝试写入（若是always的写入机制则此时redis-server无法从错误中恢复，只能选择结束进程）；
4. 由于多进程同时写多个文件，带来IO性能的损耗，因此通知配置aof_no_fsync_on_rewrite开关来关闭bgsave或者aof-rewrite过程中的刷盘信息；这种做法，虽然提升了性能，但也带来一定的风险，即刷盘未完成机器宕机或系统崩溃会有数据丢失；

AOF重写

由于AOF记录的是redis的操作流，则必然存在很多冗余信息；时间长了，会导致AOF文件过大，既占用了存储空间又导致了重启进程的时候重建数据时间过长，为此redis采取AOF重写的方式来消除冗余数据；如前所述，触发AOF重写有两个维度，一个是文件大小；另外一个是文件的增长比例；在此，我们着重看AOF重写流程：

AOF重写的核心接口与流程已经在上面截图中有所论述，我们针对其中的一些需要注意的点进行说明：

1. AOF重写的流程框架为：通过接口rewriteAppendOnlyFileBackground来fork出子进程负责执行AOF重写的核心主控接口rewriteAppendOnlyFile，主控接口通过rewriteAppendOnlyFileRio/rdbSaveRio完成内存镜像落地（以字节串形式或者指令流的格式），通过aofReadDiffFromParent完成复制积压缓存区的写入；
2. AOF重写机制中，父子进程通过管道进行通信，包括：父进程写AOF重写期间发生写操作的指令流；子进程通知父进程停止写复制积压缓存区等；
3. 相比AOF指令流回放，RDB重建DB的速度更快，因此redis4之后，通过开关aof_use_rdb_preamble控制是否打开RDB+AOF混合持久化机制，对于RDB+AOF混合持久化的AOF重写文件，实际就是RDB文件

加载流程

在redis server启动的时候，会加载磁盘数据，根据配置项中的AOF开关，判断是加载RDB文件还是AOF文件，分别通过不同的接口rdbLoad和loadAppendOnlyFile实现；关于AOF文件的加载，核心代码的流程如下部分代码截图所示；这里归纳一下需要注意的地方：

1. 由于AOF存在混合持久化的机制，因为在加载AOF文件之处，会先加载头文件五个字节，判断是否是AOF混合持久化的落地文件，若是的话，采取RDB的加载机制；否则通过构建伪终端的形式，通过重放redis命令重建DB；
2. 因为redis在执行指令的时候需要涉及很多client的成员变量，用于缓存参数等，所以在重放AOF文件的时候需要构建一个伪终端，即对端连接的client；
3. 因为AOF存的是指令流，因此存在在指令落地的时候，进程crash了，导致指令不全，此时通过开关aof_load_truncated控制是否接收残缺的AOF文件，若是接受残缺的AOF文件，则在读到最后的时候会丢弃最后一次指令结果；
4. 此外，在类似list这种含有N个元素的数据结构中，对于RDB的重建机制，就是读取N个参数读入进来，但是对于AOF重建来说，每个参数实际对应一个RPUSH key val指令，需要解析三个参数并执行一个RPUSH指令，因此来说RDB的重建效率要高于AOF所以redis4.0之后开启了RDB+AOF混合持久化机制。

参考资料

1. 《Redis设计与实现》黄建宏著
2. https://www.cnblogs.com/winterfells/p/9161540.html
3. https://cloud.tencent.com/developer/article/1427626
4. https://unix.stackexchange.com/questions/33381/getting-information-about-a-process-memory-usage-from-proc-pid-smaps
5. https://blog.csdn.net/u010902721/article/details/46446031
6. https://blog.csdn.net/petib_wangwei/article/details/38225929
7. http://www.web-lovers.com/redis-source-rdb.html
8. http://sunny90.com/a/server/2014/0905/103.html