這篇文章，我們來(lái)分享 Redis是如何實(shí)現(xiàn)持久化以及Redis 為什么要采用 RDB 和 AOF兩種持久化方式。

一、什么是持久化？

持久化，Persistence，把數(shù)據(jù)（如內(nèi)存中的對(duì)象）保存到可永久保存的存儲(chǔ)設(shè)備中（如磁盤）。這樣可以保證程序在服務(wù)器宕機(jī)后，重新啟動(dòng)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

二、持久化方式

Redis 的持久化方式有兩種：RDB 和 AOF。

1. RDB

RDB：Redis DataBase，它是將 Redis 在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)定期或者在指定時(shí)間間隔內(nèi)快照到磁盤上，生成一個(gè)RDB文件，該文件包含了Redis在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)快照。當(dāng) Redis 重新啟動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)加載 RDB 文件來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2. AOF

AOF：Append Only File，它是將 Redis 執(zhí)行的每一條寫命令追加到 AOF 文件的末尾，每次 Redis 啟動(dòng)時(shí)重新執(zhí)行 AOF 文件中的命令，從而重新構(gòu)建數(shù)據(jù)集。通過(guò)這種方式，可以保證 Redis 的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，但是對(duì)于每一次寫操作都需要進(jìn)行記錄，AOF文件會(huì)變得非常大。

實(shí)現(xiàn)原理圖如下：

三、RDB原理

Redis DataBase（RDB）是將 Redis 在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式定期或者在指定時(shí)間間隔內(nèi)快照到磁盤上，生成一個(gè) RDB 文件，該文件包含了 Redis 在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)快照。當(dāng) Redis 重新啟動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)加載 RDB 文件來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)。其原理主要分為如下 3個(gè)核心流程：

1. 觸發(fā)持久化

Redis支持兩種觸發(fā)持久化的方式，一種是根據(jù)時(shí)間間隔自動(dòng)觸發(fā)持久化，另一種是手動(dòng)執(zhí)行 SAVE 或 BGSAVE 命令來(lái)觸發(fā)持久化。手動(dòng)執(zhí)行 BGSAVE 命令可以在 Redis 持續(xù)提供服務(wù)的同時(shí)進(jìn)行持久化操作，而手動(dòng)執(zhí)行 SAVE 命令會(huì)阻塞 Redis 的服務(wù)進(jìn)程，直到持久化操作完成，所以生產(chǎn)換進(jìn)慎用 SAVE 指令。

2. 生成 RDB文件

當(dāng) Redis 觸發(fā)持久化操作時(shí)，Redis 會(huì) fork 出一個(gè)子進(jìn)程，子進(jìn)程負(fù)責(zé)生成 RDB 文件。在生成 RDB 文件的過(guò)程中，Redis 會(huì)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)按照一定的格式寫入到 RDB 文件中，包括鍵值對(duì)、過(guò)期時(shí)間、數(shù)據(jù)庫(kù)號(hào)等信息。

3. 完成持久化

當(dāng)子進(jìn)程完成 RDB 文件的生成后，Redis會(huì)將原來(lái)的RDB文件替換成新生成的RDB文件，從而完成持久化操作。在這個(gè)過(guò)程中，Redis會(huì)阻塞所有寫操作，確保RDB文件的一致性。

Redis Server 自動(dòng)創(chuàng)建 RDB 文件的默認(rèn)配置在 redis.conf 里，內(nèi)容如下：

save 900 1 # 服務(wù)器在900s（15分鐘）之內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了至少1次修改
save 300 10  #服務(wù)器在300s（5分鐘）之內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了至少10次修改
save 60 10000 #服務(wù)器在60s（1分鐘）之內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了至少10000次修改

4.RDB文件格式

RDB文件格式由多個(gè)部分組成，包括：

• RDB文件頭部：包含"REDIS"字樣的字符串，以及版本號(hào)等信息。
• 保存鍵值對(duì)數(shù)據(jù)：鍵值對(duì)數(shù)據(jù)以"SELECTDB"命令開頭，后面跟著一個(gè)4字節(jié)的整數(shù)，表示數(shù)據(jù)庫(kù)編號(hào)。然后是若干個(gè)鍵值對(duì)數(shù)據(jù)，每個(gè)鍵值對(duì)包含3部分：鍵的長(zhǎng)度、鍵的內(nèi)容、值的內(nèi)容。
• 保存過(guò)期時(shí)間：RDB文件還可以保存鍵值對(duì)的過(guò)期時(shí)間，以便在Redis重啟時(shí)自動(dòng)刪除過(guò)期的鍵值對(duì)。過(guò)期時(shí)間以"EXPIRETIME_MS"命令開頭，后面跟著鍵和過(guò)期時(shí)間等信息。
• RDB文件尾部：包含一個(gè)8字節(jié)的校驗(yàn)和，用于檢測(cè)RDB文件是否被修改。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的 RDB文件示例：

REDIS0006   // RDB文件頭部
SELECTDB 0  // 選擇數(shù)據(jù)庫(kù)0
$3foo$3bar  // 鍵為"foo"，值為"bar"
$3abc$5hello  // 鍵為"abc"，值為"hello"
EXPIRETIME_MS $3foo$4     // 設(shè)置鍵"foo"的過(guò)期時(shí)間為4秒
00000000    // RDB文件尾部的校驗(yàn)和

在讀取RDB文件時(shí)，Redis會(huì)按照上述格式逐個(gè)解析RDB文件的每個(gè)部分，并將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中。如果Redis在重啟時(shí)檢測(cè)到了存在RDB文件，它將讀取RDB文件，并將其中的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，以便快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。

四、AOF 原理

Append Only File（AOF），將 Redis 執(zhí)行的每一條寫命令追加到 AOF 文件的末尾，每次Redis啟動(dòng)時(shí)重新執(zhí)行 AOF 文件中的命令，從而重新構(gòu)建數(shù)據(jù)集。通過(guò)這種方式，可以保證 Redis 的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

AOF 實(shí)現(xiàn)原理核心流程如下：

1. AOF持久化策略

Redis 支持三種 AOF 持久化策略：

• always：每次執(zhí)行寫命令時(shí)都會(huì)將命令追加到AOF文件中。
• everysec：每秒執(zhí)行一次AOF持久化操作，將一秒鐘內(nèi)執(zhí)行的寫命令追加到AOF文件中。
• no：不進(jìn)行AOF持久化操作。

2. AOF文件格式

AOF文件的格式是一系列Redis命令的序列化形式，Redis將寫入AOF文件的命令轉(zhuǎn)換為一系列字符串，并添加到AOF文件的末尾。這些命令包括SET、DEL、INCR等操作，但是對(duì)于讀命令，如GET、HGET等操作，Redis不會(huì)將其寫入AOF文件。

3. AOF重寫

AOF重寫是為了解決 AOF 文件過(guò)大的問題，它會(huì)根據(jù)當(dāng)前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)重建一個(gè)新的 AOF文件，并用新文件替換舊文件。在重寫過(guò)程中，Redis會(huì)將一段時(shí)間內(nèi)的寫命令重寫為一條SET命令或者DEL命令，從而減小AOF文件的大小。重寫過(guò)程中，Redis會(huì)使用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)來(lái)生成新的AOF文件，并在生成過(guò)程中暫停所有寫操作。

4. 完成持久化

當(dāng)Redis觸發(fā)AOF持久化操作時(shí)，Redis會(huì)將內(nèi)存中的寫命令追加到AOF文件的末尾，然后通過(guò)fsync系統(tǒng)調(diào)用將寫入的內(nèi)容強(qiáng)制寫入磁盤，確保數(shù)據(jù)的安全性。

AOF文件的格式非常簡(jiǎn)單，它是一個(gè)文本文件，每行都記錄了一條Redis命令。每條命令都以"$"開頭，表示命令長(zhǎng)度，接著是命令的具體內(nèi)容，以"\r\n"結(jié)尾。例如，以下是一條SET命令的AOF格式：

$3\r\nSET\r\n$5\r\nmykey\r\n$7\r\nmyvalue\r\n

其中，"表示命令的長(zhǎng)度為，表示換行符，5\r\n"表示key的長(zhǎng)度為5，"mykey"是key的具體內(nèi)容，"\r\n"表示換行符，"$7\r\n"表示value的長(zhǎng)度為7，"myvalue"是value的具體內(nèi)容，"\r\n"表示換行符。

在AOF文件中，除了記錄命令外，還有一些特殊的標(biāo)記，如"*\r\n"表示一次多個(gè)命令的操作，"$-1\r\n"表示空值，":0\r\n"表示數(shù)字0等。

五、優(yōu)缺點(diǎn)

1. RDB 優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)非?？焖伲?yàn)樗傻氖且粋€(gè)快照文件，不需要對(duì)每一條數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
• 缺點(diǎn)：如果 Redis 意外宕機(jī)，可能會(huì)丟失最近一次快照時(shí)間點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)。

2. AOF 優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，即使 Redis 意外宕機(jī)，也可以通過(guò) AOF 文件來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)。
• 缺點(diǎn)：每一次寫操作都需要進(jìn)行記錄，AOF文件會(huì)變得非常大，而且 AOF 重寫操作會(huì)占用大量 CPU 和內(nèi)存資源。

為了兼顧兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，Redis提供了兩種混合持久化方式：

• AOF重寫：Redis會(huì)在后臺(tái)啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程，重寫 AOF文件，將其中的無(wú)效命令刪除，從而縮小AOF文件的大小。
• AOF 和 RDB同時(shí)開啟：Redis同時(shí)使用 AOF 和 RDB 兩種方式進(jìn)行持久化，當(dāng)Redis重啟時(shí)，優(yōu)先使用 AOF 文件來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)，如果 AOF 文件不存在或者損壞，則使用 RDB文件來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)。

六、AOF 重寫機(jī)制

AOF重寫機(jī)制是Redis用來(lái)解決AOF文件過(guò)大問題的一種機(jī)制。當(dāng)AOF文件過(guò)大時(shí)，可以通過(guò) AOF 重寫機(jī)制來(lái)生成一個(gè)新的、緊湊的 AOF 文件，以減小 AOF 文件的大小，提高Redis的性能。

AOF重寫機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理總結(jié)為下面 3步：

1. 觸發(fā)AOF重寫

Redis會(huì)周期性地檢查 AOF 文件的大小，如果超過(guò)了設(shè)定的閾值，就會(huì)觸發(fā) AOF 重寫操作。在默認(rèn)情況下，當(dāng) AOF 文件大小超過(guò)64MB時(shí)，Redis會(huì)自動(dòng)觸發(fā) AOF 重寫操作。如果需要修改閾值，可以通過(guò)配置文件中的"auto-aof-rewrite-percentage"和"auto-aof-rewrite-min-size"參數(shù)來(lái)修改。

2. 執(zhí)行AOF重寫

AOF重寫操作是在一個(gè)子進(jìn)程中執(zhí)行的，它會(huì)遍歷內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將一段時(shí)間內(nèi)的寫命令重寫為一條SET命令或者 DEL命令，并寫入新的 AOF 文件。在重寫過(guò)程中，Redis會(huì)將新的AOF文件和舊的AOF文件進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)有相同的命令序列，就會(huì)將新的AOF文件中的命令序列替換為舊的AOF文件中的命令序列，以減小新AOF文件的大小。

3. 完成AOF重寫

AOF重寫操作完成后，Redis會(huì)將新的AOF文件替換舊的AOF文件，并通過(guò)fsync系統(tǒng)調(diào)用將寫入的內(nèi)容強(qiáng)制寫入磁盤，以確保數(shù)據(jù)的安全性。

AOF重寫機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是可以減小AOF文件的大小，提高Redis的性能，缺點(diǎn)是重寫操作會(huì)占用大量CPU和內(nèi)存資源，如果數(shù)據(jù)量較大，可能會(huì)導(dǎo)致Redis的性能下降。