Redis源码剖析和注释(十八)— Redis AOF持久化机制

作者:men_wen

出处:https://blog.csdn.net/men_wen/column/info/15428


1. AOF持久化介绍

Redis中支持RDBAOF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。

Redis RDB持久化机制源码剖析和注释

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。

Redis AOF持久化机制源码注释

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:

  1. 执行客户端的命令。
  2. 将执行后的写命令追加到AOF缓冲区(server.aof_buf)中。
  3. 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。

Redis AOF持久化机制源码注释

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);
    }
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