RDB -- Redis 设计与实现

左手的ㄟ右手 2022-05-29 07:08 139阅读 0赞

在运行情况下， Redis 以数据结构的形式将数据维持在内存中， 为了让这些数据在 Redis 重启之后仍然可用， Redis 分别提供了 RDB 和 AOF 两种[持久化][Link 1]模式。

在 Redis 运行时， RDB 程序将当前内存中的数据库快照保存到磁盘文件中， 在 Redis 重启动时， RDB 程序可以通过载入 RDB 文件来还原数据库的状态。

RDB 功能最核心的是 `rdbSave` 和 `rdbLoad` 两个函数， 前者用于生成 RDB 文件到磁盘， 而后者则用于将 RDB 文件中的数据重新载入到内存中：

![Image 1][]

本章先介绍 [SAVE][] 和 [BGSAVE][] 命令的实现， 以及 `rdbSave` 和 `rdbLoad` 两个函数的运行机制， 然后以图表的方式， 分部分来介绍 RDB 文件的组织形式。

因为本章涉及 RDB 运行的相关机制， 如果还没了解过 RDB 功能的话， 请先阅读 [Redis 官网上的 persistence 手册][Redis _ persistence] 。

## 保存 ##

`rdbSave` 函数负责将内存中的数据库数据以 RDB 格式保存到磁盘中， 如果 RDB 文件已存在， 那么新的 RDB 文件将替换已有的 RDB 文件。

在保存 RDB 文件期间， 主进程会被阻塞， 直到保存完成为止。

[SAVE][] 和 [BGSAVE][] 两个命令都会调用 `rdbSave` 函数，但它们调用的方式各有不同：

*  [SAVE][] 直接调用 `rdbSave` ，阻塞 Redis 主进程，直到保存完成为止。在主进程阻塞期间，服务器不能处理客户端的任何请求。
 *  [BGSAVE][] 则 `fork` 出一个子进程，子进程负责调用 `rdbSave` ，并在保存完成之后向主进程发送信号，通知保存已完成。因为 `rdbSave` 在子进程被调用，所以 Redis 服务器在 [BGSAVE][] 执行期间仍然可以继续处理客户端的请求。

通过伪代码来描述这两个命令，可以很容易地看出它们之间的区别：

def SAVE():
    
        rdbSave()
    
    
    def BGSAVE():
    
        pid = fork()
    
        if pid == 0:
    
            # 子进程保存 RDB
            rdbSave()
    
        elif pid > 0:
    
            # 父进程继续处理请求，并等待子进程的完成信号
            handle_request()
    
        else:
    
            # pid == -1
            # 处理 fork 错误
            handle_fork_error()

## SAVE 、 BGSAVE 、 AOF 写入和 BGREWRITEAOF ##

除了了解 RDB 文件的保存方式之外， 我们可能还想知道， 两个 RDB 保存命令能否同时使用？ 它们和 AOF 保存工作是否冲突？

本节就来解答这些问题。

### SAVE ###

前面提到过， 当 [SAVE][] 执行时， Redis 服务器是阻塞的， 所以当 [SAVE][] 正在执行时， 新的 [SAVE][] 、 [BGSAVE][] 或 [BGREWRITEAOF][] 调用都不会产生任何作用。

只有在上一个 [SAVE][] 执行完毕、 Redis 重新开始接受请求之后， 新的 [SAVE][] 、 [BGSAVE][] 或 [BGREWRITEAOF][] 命令才会被处理。

另外， 因为 AOF 写入由后台线程完成， 而 [BGREWRITEAOF][] 则由子进程完成， 所以在 [SAVE][] 执行的过程中， AOF 写入和 [BGREWRITEAOF][] 可以同时进行。

### BGSAVE ###

在执行 [SAVE][] 命令之前， 服务器会检查 [BGSAVE][] 是否正在执行当中， 如果是的话， 服务器就不调用 `rdbSave` ， 而是向客户端返回一个出错信息， 告知在 [BGSAVE][] 执行期间， 不能执行 [SAVE][] 。

这样做可以避免 [SAVE][] 和 [BGSAVE][] 调用的两个 `rdbSave` 交叉执行， 造成竞争条件。

另一方面， 当 [BGSAVE][] 正在执行时， 调用新 [BGSAVE][] 命令的客户端会收到一个出错信息， 告知 [BGSAVE][] 已经在执行当中。

[BGREWRITEAOF][] 和 [BGSAVE][] 不能同时执行：

*  如果 [BGSAVE][] 正在执行，那么 [BGREWRITEAOF][] 的重写请求会被延迟到 [BGSAVE][] 执行完毕之后进行，执行 [BGREWRITEAOF][] 命令的客户端会收到请求被延迟的回复。
 *  如果 [BGREWRITEAOF][] 正在执行，那么调用 [BGSAVE][] 的客户端将收到出错信息，表示这两个命令不能同时执行。

[BGREWRITEAOF][] 和 [BGSAVE][] 两个命令在操作方面并没有什么冲突的地方， 不能同时执行它们只是一个性能方面的考虑： 并发出两个子进程， 并且两个子进程都同时进行大量的磁盘写入操作， 这怎么想都不会是一个好主意。

## 载入 ##

当 Redis 服务器启动时， `rdbLoad` 函数就会被执行， 它读取 RDB 文件， 并将文件中的数据库数据载入到内存中。

在载入期间， 服务器每载入 1000 个键就处理一次所有已到达的请求， 不过只有 `PUBLISH` 、 `SUBSCRIBE` 、 `PSUBSCRIBE` 、 `UNSUBSCRIBE` 、 `PUNSUBSCRIBE` 五个命令的请求会被正确地处理， 其他命令一律返回错误。 等到载入完成之后， 服务器才会开始正常处理所有命令。

发布与订阅功能和其他数据库功能是完全隔离的，前者不写入也不读取数据库，所以在服务器载入期间，订阅与发布功能仍然可以正常使用，而不必担心对载入数据的完整性产生影响。

另外， 因为 AOF 文件的保存频率通常要高于 RDB 文件保存的频率， 所以一般来说， AOF 文件中的数据会比 RDB 文件中的数据要新。

因此， 如果服务器在启动时， 打开了 AOF 功能， 那么程序优先使用 AOF 文件来还原数据。 只有在 AOF 功能未打开的情况下， Redis 才会使用 RDB 文件来还原数据。

## RDB 文件结构 ##

前面介绍了保存和读取 RDB 文件的两个函数，现在，是时候介绍 RDB 文件本身了。

一个 RDB 文件可以分为以下几个部分：

以下的几个小节将分别对这几个部分的保存和读入规则进行介绍。

### REDIS ###

文件的最开头保存着 `REDIS` 五个字符，标识着一个 RDB 文件的开始。

在读入文件的时候，程序可以通过检查一个文件的前五个字节，来快速地判断该文件是否有可能是 RDB 文件。

### RDB-VERSION ###

一个四字节长的以字符表示的整数，记录了该文件所使用的 RDB 版本号。

目前的 RDB 文件版本为 `0006` 。

因为不同版本的 RDB 文件互不兼容，所以在读入程序时，需要根据版本来选择不同的读入方式。

### DB-DATA ###

这个部分在一个 RDB 文件中会出现任意多次，每个 `DB-DATA` 部分保存着服务器上一个非空数据库的所有数据。

### SELECT-DB ###

这域保存着跟在后面的键值对所属的数据库号码。

在读入 RDB 文件时，程序会根据这个域的值来切换数据库，确保数据被还原到正确的数据库上。

### KEY-VALUE-PAIRS ###

因为空的数据库不会被保存到 RDB 文件，所以这个部分至少会包含一个键值对的数据。

每个键值对的数据使用以下结构来保存：

+----------------------+---------------+-----+-------+
    | OPTIONAL-EXPIRE-TIME | TYPE-OF-VALUE | KEY | VALUE |
    +----------------------+---------------+-----+-------+

`OPTIONAL-EXPIRE-TIME` 域是可选的，如果键没有设置过期时间，那么这个域就不会出现； 反之，如果这个域出现的话，那么它记录着键的过期时间，在当前版本的 RDB 中，过期时间是一个以毫秒为单位的 UNIX 时间戳。

`KEY` 域保存着键，格式和 `REDIS_ENCODING_RAW` 编码的字符串对象一样（见下文）。

`TYPE-OF-VALUE` 域记录着 `VALUE` 域的值所使用的编码， 根据这个域的指示， 程序会使用不同的方式来保存和读取 `VALUE` 的值。

下文提到的编码在《[对象处理机制][Link 2]》章节介绍过，如果忘记了可以回去重温下。

保存 `VALUE` 的详细格式如下：

*  `REDIS_ENCODING_INT` 编码的 `REDIS_STRING` 类型对象：
    
    如果值可以表示为 `8` 位、 `16` 位或 `32` 位有符号整数，那么直接以整数类型的形式来保存它们：
    
        +---------+
        | integer |
        +---------+
    
    比如说，整数 `8` 可以用 `8` 位序列 `00001000` 保存。
    
    当读入这类值时，程序按指定的长度读入字节数据，然后将数据转换回整数类型。
    
    另一方面，如果值不能被表示为最高 `32` 位的有符号整数，那么说明这是一个 `long long` 类型的值，在 RDB 文件中，这种类型的值以字符序列的形式保存。
    
    一个字符序列由两部分组成：
    
        +-----+---------+
        | LEN | CONTENT |
        +-----+---------+
    
    其中， `CONTENT` 域保存了字符内容，而 `LEN` 则保存了以字节为单位的字符长度。
    
    当进行载入时，读入器先读入 `LEN` ，创建一个长度等于 `LEN` 的字符串对象，然后再从文件中读取 `LEN` 字节数据，并将这些数据设置为字符串对象的值。
 *  `REDIS_ENCODING_RAW` 编码的 `REDIS_STRING` 类型值有三种保存方式：
    
    1.  如果值可以表示为 `8` 位、 `16` 位或 `32` 位长的有符号整数，那么用整数类型的形式来保存它们。
    2.  如果字符串长度大于 `20` ，并且服务器开启了 [LZF 压缩功能][LZF] ，那么对字符串进行压缩，并保存压缩之后的数据。
        
        经过 LZF 压缩的字符串会被保存为以下结构：
        
            +----------+----------------+--------------------+
            | LZF-FLAG | COMPRESSED-LEN | COMPRESSED-CONTENT |
            +----------+----------------+--------------------+
        
        `LZF-FLAG` 告知读入器，后面跟着的是被 LZF 算法压缩过的数据。
        
        `COMPRESSED-CONTENT` 是被压缩后的数据， `COMPRESSED-LEN` 则是该数据的字节长度。
    3.  在其他情况下，程序直接以普通字节序列的方式来保存字符串。比如说，对于一个长度为 `20` 字节的字符串，需要使用 `20` 字节的空间来保存它。
        
        这种字符串被保存为以下结构：
        
            +-----+---------+
            | LEN | CONTENT |
            +-----+---------+
        
        `LEN` 为字符串的字节长度， `CONTENT` 为字符串。
    
    当进行载入时，读入器先检测字符串保存的方式，再根据不同的保存方式，用不同的方法取出内容，并将内容保存到新建的字符串对象当中。
 *  `REDIS_ENCODING_LINKEDLIST` 编码的 `REDIS_LIST` 类型值保存为以下结构：
    
        +-----------+--------------+--------------+-----+--------------+
        | NODE-SIZE | NODE-VALUE-1 | NODE-VALUE-2 | ... | NODE-VALUE-N |
        +-----------+--------------+--------------+-----+--------------+
    
    其中 `NODE-SIZE` 保存链表节点数量，后面跟着 `NODE-SIZE` 个节点值。节点值的保存方式和字符串的保存方式一样。
    
    当进行载入时，读入器读取节点的数量，创建一个新的链表，然后一直执行以下步骤，直到指定节点数量满足为止：
    
    1.  读取字符串表示的节点值
    2.  将包含节点值的新节点添加到链表中
 *  `REDIS_ENCODING_HT` 编码的 `REDIS_SET` 类型值保存为以下结构：
    
        +----------+-----------+-----------+-----+-----------+
        | SET-SIZE | ELEMENT-1 | ELEMENT-2 | ... | ELEMENT-N |
        +----------+-----------+-----------+-----+-----------+
    
    `SET-SIZE` 记录了集合元素的数量，后面跟着多个元素值。元素值的保存方式和字符串的保存方式一样。
    
    载入时，读入器先读入集合元素的数量 `SET-SIZE` ，再连续读入 `SET-SIZE` 个字符串，并将这些字符串作为新元素添加至新创建的集合。
 *  `REDIS_ENCODING_SKIPLIST` 编码的 `REDIS_ZSET` 类型值保存为以下结构：
    
        +--------------+-------+---------+-------+---------+-----+-------+---------+
        | ELEMENT-SIZE | MEB-1 | SCORE-1 | MEB-2 | SCORE-2 | ... | MEB-N | SCORE-N |
        +--------------+-------+---------+-------+---------+-----+-------+---------+
    
    其中 `ELEMENT-SIZE` 为有序集元素的数量， `MEB-i` 为第 `i` 个有序集元素的成员， `SCORE-i` 为第 `i` 个有序集元素的分值。
    
    当进行载入时，读入器读取有序集元素数量，创建一个新的有序集，然后一直执行以下步骤，直到指定元素数量满足为止：
    
    1.  读入字符串形式保存的成员 `member`
    2.  读入字符串形式保存的分值 `score` ，并将它转换为浮点数
    3.  添加 `member` 为成员、 `score` 为分值的新元素到有序集
 *  `REDIS_ENCODING_HT` 编码的 `REDIS_HASH` 类型值保存为以下结构：
    
        +-----------+-------+---------+-------+---------+-----+-------+---------+
        | HASH-SIZE | KEY-1 | VALUE-1 | KEY-2 | VALUE-2 | ... | KEY-N | VALUE-N |
        +-----------+-------+---------+-------+---------+-----+-------+---------+
    
    `HASH-SIZE` 是哈希表包含的键值对的数量， `KEY-i` 和 `VALUE-i` 分别是哈希表的键和值。
    
    载入时，程序先创建一个新的哈希表，然后读入 `HASH-SIZE` ，再执行以下步骤 `HASH-SIZE` 次：
    
    1.  读入一个字符串
    2.  再读入另一个字符串
    3.  将第一个读入的字符串作为键，第二个读入的字符串作为值，插入到新建立的哈希中。
 *  `REDIS_LIST` 类型、 `REDIS_HASH` 类型和 `REDIS_ZSET` 类型都使用了 `REDIS_ENCODING_ZIPLIST` 编码， `ziplist` 在 RDB 中的保存方式如下：
    
        +-----+---------+
        | LEN | ZIPLIST |
        +-----+---------+
    
    载入时，读入器先读入 `ziplist` 的字节长，再根据该字节长读入数据，最后将数据还原成一个 `ziplist` 。
 *  `REDIS_ENCODING_INTSET` 编码的 `REDIS_SET` 类型值保存为以下结构：
    
        +-----+--------+
        | LEN | INTSET |
        +-----+--------+
    
    载入时，读入器先读入 `intset` 的字节长度，再根据长度读入数据，最后将数据还原成 `intset` 。

### EOF ###

标志着数据库内容的结尾（不是文件的结尾），值为 `rdb.h/EDIS_RDB_OPCODE_EOF` （`255`）。

### CHECK-SUM ###

RDB 文件所有内容的校验和， 一个 `uint_64t` 类型值。

REDIS 在写入 RDB 文件时将校验和保存在 RDB 文件的末尾， 当读取时， 根据它的值对内容进行校验。

如果这个域的值为 `0` ， 那么表示 Redis 关闭了校验和功能。

## 小结 ##

*  `rdbSave` 会将数据库数据保存到 RDB 文件，并在保存完成之前阻塞调用者。
 *  [SAVE][] 命令直接调用 `rdbSave` ，阻塞 Redis 主进程； [BGSAVE][] 用子进程调用 `rdbSave` ，主进程仍可继续处理命令请求。
 *  [SAVE][] 执行期间， AOF 写入可以在后台线程进行， [BGREWRITEAOF][] 可以在子进程进行，所以这三种操作可以同时进行。
 *  为了避免产生竞争条件， [BGSAVE][] 执行时， [SAVE][] 命令不能执行。
 *  为了避免性能问题， [BGSAVE][] 和 [BGREWRITEAOF][] 不能同时执行。
 *  调用 `rdbLoad` 函数载入 RDB 文件时，不能进行任何和数据库相关的操作，不过订阅与发布方面的命令可以正常执行，因为它们和数据库不相关联。
 *  RDB 文件的组织方式如下：
    
        +-------+-------------+-----------+-----------------+-----+-----------+
        | REDIS | RDB-VERSION | SELECT-DB | KEY-VALUE-PAIRS | EOF | CHECK-SUM |
        +-------+-------------+-----------+-----------------+-----+-----------+
        
                              |<-------- DB-DATA ---------->|
 *  键值对在 RDB 文件中的组织方式如下：
    
        +----------------------+---------------+-----+-------+
        | OPTIONAL-EXPIRE-TIME | TYPE-OF-VALUE | KEY | VALUE |
        +----------------------+---------------+-----+-------+
    
    RDB 文件使用不同的格式来保存不同类型的值。

[Link 1]: http://en.wikipedia.org/wiki/Persistence_%28computer_science%29
[Image 1]: 
[SAVE]: http://redis.readthedocs.org/en/latest/server/save.html#save
[BGSAVE]: http://redis.readthedocs.org/en/latest/server/bgsave.html#bgsave
[Redis _ persistence]: http://redis.io/topics/persistence
[BGREWRITEAOF]: http://redis.readthedocs.org/en/latest/server/bgrewriteaof.html#bgrewriteaof
[Link 2]: http://redisbook.readthedocs.io/en/latest/datatype/object.html#object-chapter
[LZF]: http://oldhome.schmorp.de/marc/liblzf.html