這篇文章，我們來分享 Redis是如何實現(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)存中的對象）保存到可永久保存的存儲設(shè)備中（如磁盤）。這樣可以保證程序在服務(wù)器宕機后，重新啟動不會丟失數(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)定期或者在指定時間間隔內(nèi)快照到磁盤上，生成一個RDB文件，該文件包含了Redis在某個時間點上的數(shù)據(jù)快照。當(dāng) Redis 重新啟動時，可以通過加載 RDB 文件來恢復(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 啟動時重新執(zhí)行 AOF 文件中的命令，從而重新構(gòu)建數(shù)據(jù)集。通過這種方式，可以保證 Redis 的數(shù)據(jù)不會丟失，但是對于每一次寫操作都需要進行記錄，AOF文件會變得非常大。

實現(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)以二進制的形式定期或者在指定時間間隔內(nèi)快照到磁盤上，生成一個 RDB 文件，該文件包含了 Redis 在某個時間點上的數(shù)據(jù)快照。當(dāng) Redis 重新啟動時，可以通過加載 RDB 文件來恢復(fù)數(shù)據(jù)。其原理主要分為如下 3個核心流程：

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)時間間隔自動觸發(fā)持久化，另一種是手動執(zhí)行 SAVE 或 BGSAVE 命令來觸發(fā)持久化。手動執(zhí)行 BGSAVE 命令可以在 Redis 持續(xù)提供服務(wù)的同時進行持久化操作，而手動執(zhí)行 SAVE 命令會阻塞 Redis 的服務(wù)進程，直到持久化操作完成，所以生產(chǎn)換進慎用 SAVE 指令。

2. 生成 RDB文件

當(dāng) Redis 觸發(fā)持久化操作時，Redis 會 fork 出一個子進程，子進程負責(zé)生成 RDB 文件。在生成 RDB 文件的過程中，Redis 會將內(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、過期時間、數(shù)據(jù)庫號等信息。

3. 完成持久化

當(dāng)子進程完成 RDB 文件的生成后，Redis會將原來的RDB文件替換成新生成的RDB文件，從而完成持久化操作。在這個過程中，Redis會阻塞所有寫操作，確保RDB文件的一致性。

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

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

4.RDB文件格式

RDB文件格式由多個部分組成，包括：

• RDB文件頭部：包含"REDIS"字樣的字符串，以及版本號等信息。
• 保存鍵值對數(shù)據(jù)：鍵值對數(shù)據(jù)以"SELECTDB"命令開頭，后面跟著一個4字節(jié)的整數(shù)，表示數(shù)據(jù)庫編號。然后是若干個鍵值對數(shù)據(jù)，每個鍵值對包含3部分：鍵的長度、鍵的內(nèi)容、值的內(nèi)容。
• 保存過期時間：RDB文件還可以保存鍵值對的過期時間，以便在Redis重啟時自動刪除過期的鍵值對。過期時間以"EXPIRETIME_MS"命令開頭，后面跟著鍵和過期時間等信息。
• RDB文件尾部：包含一個8字節(jié)的校驗和，用于檢測RDB文件是否被修改。

以下是一個簡單的 RDB文件示例：

REDIS0006   // RDB文件頭部
SELECTDB 0  // 選擇數(shù)據(jù)庫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"的過期時間為4秒
00000000    // RDB文件尾部的校驗和

在讀取RDB文件時，Redis會按照上述格式逐個解析RDB文件的每個部分，并將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中。如果Redis在重啟時檢測到了存在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啟動時重新執(zhí)行 AOF 文件中的命令，從而重新構(gòu)建數(shù)據(jù)集。通過這種方式，可以保證 Redis 的數(shù)據(jù)不會丟失。

AOF 實現(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)行寫命令時都會將命令追加到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，但是對于讀命令，如GET、HGET等操作，Redis不會將其寫入AOF文件。

3. AOF重寫

AOF重寫是為了解決 AOF 文件過大的問題，它會根據(jù)當(dāng)前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)重建一個新的 AOF文件，并用新文件替換舊文件。在重寫過程中，Redis會將一段時間內(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。重寫過程中，Redis會使用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)來生成新的AOF文件，并在生成過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，Redis會將內(nèi)存中的寫命令追加到AOF文件的末尾，然后通過fsync系統(tǒng)調(diào)用將寫入的內(nèi)容強制寫入磁盤，確保數(shù)據(jù)的安全性。

AOF文件的格式非常簡單，它是一個文本文件，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，"表示命令的長度為，表示換行符，5\r\n"表示key的長度為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

1. RDB 優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：對于數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)非常快速，因為它生成的是一個快照文件，不需要對每一條數(shù)據(jù)進行操作。
• 缺點：如果 Redis 意外宕機，可能會丟失最近一次快照時間點之后的數(shù)據(jù)。

2. AOF 優(yōu)缺點

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

為了兼顧兩種方式的優(yōu)缺點，Redis提供了兩種混合持久化方式：

• AOF重寫：Redis會在后臺啟動一個進程，重寫 AOF文件，將其中的無效命令刪除，從而縮小AOF文件的大小。
• AOF 和 RDB同時開啟：Redis同時使用 AOF 和 RDB 兩種方式進行持久化，當(dāng)Redis重啟時，優(yōu)先使用 AOF 文件來恢復(fù)數(shù)據(jù)，如果 AOF 文件不存在或者損壞，則使用 RDB文件來恢復(fù)數(shù)據(jù)。

六、AOF 重寫機制

AOF重寫機制是Redis用來解決AOF文件過大問題的一種機制。當(dāng)AOF文件過大時，可以通過 AOF 重寫機制來生成一個新的、緊湊的 AOF 文件，以減小 AOF 文件的大小，提高Redis的性能。

AOF重寫機制的實現(xiàn)原理總結(jié)為下面 3步：

1. 觸發(fā)AOF重寫

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

2. 執(zhí)行AOF重寫

AOF重寫操作是在一個子進程中執(zhí)行的，它會遍歷內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將一段時間內(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。在重寫過程中，Redis會將新的AOF文件和舊的AOF文件進行比較，如果發(fā)現(xiàn)有相同的命令序列，就會將新的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會將新的AOF文件替換舊的AOF文件，并通過fsync系統(tǒng)調(diào)用將寫入的內(nèi)容強制寫入磁盤，以確保數(shù)據(jù)的安全性。

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