Redis RDB 持久化详解

Redis 是一种内存数据库,将数据保存在内存中,读写效率要比传统的将数据保存在磁盘上的数据库要快很多。但是一旦进程退出,Redis 的数据就会丢失。

为了解决这个问题,Redis 提供了 RDB 和 AOF 两种持久化方案,将内存中的数据保存到磁盘中,避免数据丢失。

antirez 在《Redis 持久化解密》一文中说,一般来说有三种常见的策略来进行持久化操作,防止数据损坏:

  • 方法1 是数据库不关心发生故障,在数据文件损坏后通过数据备份或者快照来进行恢复。Redis 的 RDB 持久化就是这种方式。

  • 方法2 是数据库使用操作日志,每次操作时记录操作行为,以便在故障后通过日志恢复到一致性的状态。因为操作日志是顺序追加的方式写的,所以不会出现操作日志也无法恢复的情况。类似于 Mysql 的 redo 和 undo 日志,具体可以看这篇《InnoDB的磁盘文件及落盘机制》文章。

  • 方法3 是数据库不进行老数据的修改,只是以追加方式去完成写操作,这样数据本身就是一份日志,这样就永远不会出现数据无法恢复的情况了。CouchDB就是此做法的优秀范例。

RDB 就是第一种方法,它就是把当前 Redis 进程的数据生成时间点快照( point-in-time snapshot ) 保存到存储设备的过程。

RDB 的使用

RDB 触发机制分为使用指令手动触发和 redis.conf 配置自动触发。

手动触发 Redis 进行 RDB 持久化的指令的为:

  • save ,该指令会阻塞当前 Redis 服务器,执行 save 指令期间,Redis 不能处理其他命令,直到 RDB 过程完成为止。
  • bgsave,执行该命令时,Redis 会在后台异步执行快照操作,此时 Redis 仍然可以相应客户端请求。具体操作是 Redis 进程执行 fork 操作创建子进程,RDB 持久化过程由子进程负责,完成后自动结束。Redis 只会在 fork 期间发生阻塞,但是一般时间都很短。但是如果 Redis 数据量特别大,fork 时间就会变长,而且占用内存会加倍,这一点需要特别注意。

自动触发 RDB 的默认配置如下所示:

save 900 1 # 表示900 秒内如果至少有 1 个 key 的值变化,则触发RDB
save 300 10 # 表示300 秒内如果至少有 10 个 key 的值变化,则触发RDB
save 60 10000 # 表示60 秒内如果至少有 10000 个 key 的值变化,则触发RDB

如果不需要 Redis 进行持久化,那么可以注释掉所有的 save 行来停用保存功能,也可以直接一个空字符串来停用持久化:save “”。

Redis 服务器周期操作函数 serverCron 默认每个 100 毫秒就会执行一次,该函数用于正在运行的服务器进行维护,它的一项工作就是检查 save 选项所设置的条件是否有一项被满足,如果满足的话,就执行 bgsave 指令。

RDB 整体流程

了解了 RDB 的基础使用后,我们要继续深入对 RDB持久化的学习。在此之前,我们可以先思考一下如何实现一个持久化机制,毕竟这是很多中间件所需的一个模块。

首先,持久化保存的文件内容结构必须是紧凑的,特别对于数据库来说,需要持久化的数据量十分大,需要保证持久化文件不至于占用太多存储。
其次,进行持久化时,中间件应该还可以快速地响应用户请求,持久化的操作应该尽量少影响中间件的其他功能。
最后,毕竟持久化会消耗性能,如何在性能和数据安全性之间做出平衡,如何灵活配置触发持久化操作。

接下来我们将带着这些问题,到源码中寻求答案。

本文中的源码来自 Redis 4.0 ,RDB持久化过程的相关源码都在 rdb.c 文件中。其中大概的流程如下图所示。

image.png

上图表明了三种触发 RDB 持久化的手段之间的整体关系。通过 serverCron 自动触发的 RDB 相当于直接调用了 bgsave 指令的流程进行处理。而 bgsave 的处理流程启动子进程后,调用了 save 指令的处理流程。

下面我们从 serverCron 自动触发逻辑开始研究。

自动触发 RDB 持久化

如上图所示,redisServer 结构体的save_params指向拥有三个值的数组,该数组的值与 redis.conf 文件中 save 配置项一一对应。分别是 save 900 1save 300 10save 60 10000dirty 记录着有多少键值发生变化,lastsave记录着上次 RDB 持久化的时间。

serverCron 函数就是遍历该数组的值,检查当前 Redis 状态是否符合触发 RDB 持久化的条件,比如说距离上次 RDB 持久化过去了 900 秒并且有至少一条数据发生变更。

int serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData) {
    ....
    /* Check if a background saving or AOF rewrite in progress terminated. */
    /* 判断后台是否正在进行 rdb 或者 aof 操作 */
    if (server.rdb_child_pid != -1 || server.aof_child_pid != -1 ||
        ldbPendingChildren())
    {
        ....
    } else {
        // 到这儿就能确定 当前木有进行 rdb 或者 aof 操作
        // 遍历每一个 rdb 保存条件
         for (j = 0; j < server.saveparamslen; j++) {
            struct saveparam *sp = server.saveparams+j;

            //如果数据保存记录 大于规定的修改次数 且距离 上一次保存的时间大于规定时间或者上次BGSAVE命令执行成功,才执行 BGSAVE 操作
            if (server.dirty >= sp->changes &&
                server.unixtime-server.lastsave > sp->seconds &&
                (server.unixtime-server.lastbgsave_try >
                 CONFIG_BGSAVE_RETRY_DELAY ||
                 server.lastbgsave_status == C_OK))
            {
                //记录日志
                serverLog(LL_NOTICE,"%d changes in %d seconds. Saving...",
                    sp->changes, (int)sp->seconds);
                rdbSaveInfo rsi, *rsiptr;
                rsiptr = rdbPopulateSaveInfo(&rsi);
                // 异步保存操作
                rdbSaveBackground(server.rdb_filename,rsiptr);
                break;
            }
         }
    }
    ....
    server.cronloops++;
    return 1000/server.hz;
}

如果符合触发 RDB 持久化的条件,serverCron会调用rdbSaveBackground函数,也就是 bgsave 指令会触发的函数。

子进程后台执行 RDB 持久化

执行 bgsave 指令时,Redis 会先触发 bgsaveCommand 进行当前状态检查,然后才会调用rdbSaveBackground,其中的逻辑如下图所示。

示意图

rdbSaveBackground 函数中最主要的工作就是调用 fork 命令生成子流程,然后在子流程中执行 rdbSave函数,也就是 save 指令最终会触发的函数。

int rdbSaveBackground(char *filename, rdbSaveInfo *rsi) {
    pid_t childpid;
    long long start;
    // 检查后台是否正在执行 aof 或者 rdb 操作
    if (server.aof_child_pid != -1 || server.rdb_child_pid != -1) return C_ERR;
    // 拿出 数据保存记录,保存为 上次记录
    server.dirty_before_bgsave = server.dirty;
    // bgsave 时间
    server.lastbgsave_try = time(NULL);
    start = ustime();
    // fork 子进程
    if ((childpid = fork()) == 0) {
        int retval;
        /* 关闭子进程继承的 socket 监听 */
        closeListeningSockets(0);
        // 子进程 title 修改
        redisSetProcTitle("redis-rdb-bgsave");
        // 执行rdb 写入操作
        retval = rdbSave(filename,rsi);
        // 执行完毕以后
        ....
        // 退出子进程
        exitFromChild((retval == C_OK) ? 0 : 1);
    } else {
        /* 父进程,进行fork时间的统计和信息记录,比如说rdb_save_time_start、rdb_child_pid、和rdb_child_type */
        ....
        // rdb 保存开始时间 bgsave 子进程
        server.rdb_save_time_start = time(NULL);
        server.rdb_child_pid = childpid;
        server.rdb_child_type = RDB_CHILD_TYPE_DISK;
        updateDictResizePolicy();
        return C_OK;
    }
    return C_OK; /* unreached */
}

为什么 Redis 使用子进程而不是线程来进行后台 RDB 持久化呢?主要是出于Redis性能的考虑,我们知道Redis对客户端响应请求的工作模型是单进程和单线程的,如果在主进程内启动一个线程,这样会造成对数据的竞争条件。所以为了避免使用锁降低性能,Redis选择启动新的子进程,独立拥有一份父进程的内存拷贝,以此为基础执行RDB持久化。

但是需要注意的是,fork 会消耗一定时间,并且父子进程所占据的内存是相同的,当 Redis 键值较大时,fork 的时间会很长,这段时间内 Redis 是无法响应其他命令的。除此之外,Redis 占据的内存空间会翻倍。

生成 RDB 文件,并且持久化到硬盘

Redis 的 rdbSave 函数是真正进行 RDB 持久化的函数,它的大致流程如下:

  • 首先打开一个临时文件,
  • 调用 rdbSaveRio函数,将当前 Redis 的内存信息写入到这个临时文件中,
  • 接着调用 fflushfsyncfclose 接口将文件写入磁盘中,
  • 使用 rename 将临时文件改名为 正式的 RDB 文件,
  • 最后记录 dirtylastsave等状态信息。这些状态信息在 serverCron时会使用到。
int rdbSave(char *filename, rdbSaveInfo *rsi) {
    char tmpfile[256];
    // 当前工作目录
    char cwd[MAXPATHLEN];
    FILE *fp;
    rio rdb;
    int error = 0;

    /* 生成tmpfile文件名 temp-[pid].rdb */
    snprintf(tmpfile,256,"temp-%d.rdb", (int) getpid());
    /* 打开文件 */
    fp = fopen(tmpfile,"w");
    .....
    /* 初始化rio结构 */
    rioInitWithFile(&rdb,fp);

    if (rdbSaveRio(&rdb,&error,RDB_SAVE_NONE,rsi) == C_ERR) {
        errno = error;
        goto werr;
    }

    if (fflush(fp) == EOF) goto werr;
    if (fsync(fileno(fp)) == -1) goto werr;
    if (fclose(fp) == EOF) goto werr;

    /* 重新命名 rdb 文件,把之前临时的名称修改为正式的 rdb 文件名称 */
    if (rename(tmpfile,filename) == -1) {
        // 异常处理
        ....
    }
    // 写入完成,打印日志
    serverLog(LL_NOTICE,"DB saved on disk");
    // 清理数据保存记录
    server.dirty = 0;
    // 最后一次完成 SAVE 命令的时间
    server.lastsave = time(NULL);
    // 最后一次 bgsave 的状态置位 成功
    server.lastbgsave_status = C_OK;
    return C_OK;
    ....
}

这里要简单说一下 fflushfsync的区别。它们俩都是用于刷缓存,但是所属的层次不同。fflush函数用于 FILE* 指针上,将缓存数据从应用层缓存刷新到内核中,而fsync 函数则更加底层,作用于文件描述符,用于将内核缓存刷新到物理设备上。

关于 Linux IO 的具体原理可以参考《聊聊Linux IO》

内存数据到 RDB 文件

rdbSaveRio 会将 Redis 内存中的数据以相对紧凑的格式写入到文件中,其文件格式的示意图如下所示。

rdbSaveRio函数的写入大致流程如下:

  • 先写入 REDIS 魔法值,然后是 RDB 文件的版本( rdb_version ),额外辅助信息 ( aux )。辅助信息中包含了 Redis 的版本,内存占用和复制库( repl-id )和偏移量( repl-offset )等。

  • 然后 rdbSaveRio 会遍历当前 Redis 的所有数据库,将数据库的信息依次写入。先写入 RDB_OPCODE_SELECTDB识别码和数据库编号,接着写入RDB_OPCODE_RESIZEDB识别码和数据库键值数量和待失效键值数量,最后会遍历所有的键值,依次写入。

  • 在写入键值时,当该键值有失效时间时,会先写入RDB_OPCODE_EXPIRETIME_MS识别码和失效时间,然后写入键值类型的识别码,最后再写入键和值。

  • 写完数据库信息后,还会把 Lua 相关的信息写入,最后再写入 RDB_OPCODE_EOF结束符识别码和校验值。

    int rdbSaveRio(rio *rdb, int *error, int flags, rdbSaveInfo *rsi) {
        snprintf(magic,sizeof(magic),"REDIS%04d",RDB_VERSION);
        /* 1 写入 magic字符'REDIS' 和 RDB 版本 */
        if (rdbWriteRaw(rdb,magic,9) == -1) goto werr;
        /* 2 写入辅助信息  REDIS版本,服务器操作系统位数,当前时间,复制信息比如repl-stream-db,repl-id和repl-offset等等数据*/
        if (rdbSaveInfoAuxFields(rdb,flags,rsi) == -1) goto werr;
        /* 3 遍历每一个数据库,逐个数据库数据保存 */
        for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
            /* 获取数据库指针地址和数据库字典 */
            redisDb *db = server.db+j;
            dict *d = db->dict;
            /* 3.1 写入数据库部分的开始标识 */
            if (rdbSaveType(rdb,RDB_OPCODE_SELECTDB) == -1) goto werr;
            /* 3.2 写入当前数据库号 */
            if (rdbSaveLen(rdb,j) == -1) goto werr;
    
            uint32_t db_size, expires_size;
            /* 获取数据库字典大小和过期键字典大小 */
            db_size = (dictSize(db->dict) <= UINT32_MAX) ?
                                    dictSize(db->dict) :
                                    UINT32_MAX;
            expires_size = (dictSize(db->expires) <= UINT32_MAX) ?
                                    dictSize(db->expires) :
                                    UINT32_MAX;
            /* 3.3 写入当前待写入数据的类型,此处为 RDB_OPCODE_RESIZEDB,表示数据库大小 */
            if (rdbSaveType(rdb,RDB_OPCODE_RESIZEDB) == -1) goto werr;
            /* 3.4 写入获取数据库字典大小和过期键字典大小 */
            if (rdbSaveLen(rdb,db_size) == -1) goto werr;
            if (rdbSaveLen(rdb,expires_size) == -1) goto werr;
            /* 4 遍历当前数据库的键值对 */
            while((de = dictNext(di)) != NULL) {
                sds keystr = dictGetKey(de);
                robj key, *o = dictGetVal(de);
                long long expire;
    
                /* 初始化 key,因为操作的是 key 字符串对象,而不是直接操作 键的字符串内容 */
                initStaticStringObject(key,keystr);
                /* 获取键的过期数据 */
                expire = getExpire(db,&key);
                /* 4.1 保存键值对数据 */
                if (rdbSaveKeyValuePair(rdb,&key,o,expire) == -1) goto werr;
            }
    
        }
    
        /* 5 保存 Lua 脚本*/
        if (rsi && dictSize(server.lua_scripts)) {
            di = dictGetIterator(server.lua_scripts);
            while((de = dictNext(di)) != NULL) {
                robj *body = dictGetVal(de);
                if (rdbSaveAuxField(rdb,"lua",3,body->ptr,sdslen(body->ptr)) == -1)
                    goto werr;
            }
            dictReleaseIterator(di);
        }
    
        /* 6 写入结束符 */
        if (rdbSaveType(rdb,RDB_OPCODE_EOF) == -1) goto werr;
    
        /* 7 写入CRC64校验和 */
        cksum = rdb->cksum;
        memrev64ifbe(&cksum);
        if (rioWrite(rdb,&cksum,8) == 0) goto werr;
        return C_OK;
    }
    

rdbSaveRio在写键值时,会调用rdbSaveKeyValuePair 函数。该函数会依次写入键值的过期时间,键的类型,键和值。

int rdbSaveKeyValuePair(rio *rdb, robj *key, robj *val, long long expiretime)
{
    /* 如果有过期信息 */
    if (expiretime != -1) {
        /* 保存过期信息标识 */
        if (rdbSaveType(rdb,RDB_OPCODE_EXPIRETIME_MS) == -1) return -1;
        /* 保存过期具体数据内容 */
        if (rdbSaveMillisecondTime(rdb,expiretime) == -1) return -1;
    }

    /* Save type, key, value */
    /* 保存键值对 类型的标识 */
    if (rdbSaveObjectType(rdb,val) == -1) return -1;
    /* 保存键值对 键的内容 */
    if (rdbSaveStringObject(rdb,key) == -1) return -1;
    /* 保存键值对 值的内容 */
    if (rdbSaveObject(rdb,val) == -1) return -1;
    return 1;
}

根据键的不同类型写入不同格式,各种键值的类型和格式如下所示。

Redis 有庞大的对象和数据结构体系,它使用六种底层数据结构构建了包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象的对象系统。感兴趣的同学可以参考 《十二张图带你了解 Redis 的数据结构和对象系统》一文。

不同的数据结构进行 RDB 持久化的格式都不同。我们今天只看一下集合对象是如何持久化的。

ssize_t rdbSaveObject(rio *rdb, robj *o) {
    ssize_t n = 0, nwritten = 0;
    ....
    } else if (o->type == OBJ_SET) {
        /* Save a set value */
        if (o->encoding == OBJ_ENCODING_HT) {
            dict *set = o->ptr;
            // 集合迭代器
            dictIterator *di = dictGetIterator(set);
            dictEntry *de;
            // 写入集合长度
            if ((n = rdbSaveLen(rdb,dictSize(set))) == -1) return -1;
            nwritten += n;
            // 遍历集合元素
            while((de = dictNext(di)) != NULL) {
                sds ele = dictGetKey(de);
                // 以字符串的形式写入,因为是SET 所以只写入 Key 即可
                if ((n = rdbSaveRawString(rdb,(unsigned char*)ele,sdslen(ele)))
                    == -1) return -1;
                nwritten += n;
            }
            dictReleaseIterator(di);
        } 
    .....
    return nwritten;
}

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原文链接:Redis RDB 持久化详解

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