java 从零开始手写 redis（六）redis AOF 持久化原理详解及实现

清疚 2022-12-11 13:51 169阅读 0赞

# 前言 #

[java从零手写实现redis（一）如何实现固定大小的缓存？][java_redis]

[java从零手写实现redis（三）redis expire 过期原理][java_redis_redis expire]

[java从零手写实现redis（三）内存数据如何重启不丢失？][java_redis 1]

[java从零手写实现redis（四）添加监听器][java_redis 2]

[java从零手写实现redis（五）过期策略的另一种实现思路][java_redis 3]

我们前面简单实现了 redis 的几个特性，[java从零手写实现redis（三）内存数据如何重启不丢失？][java_redis 1] 中实现了类似 redis 的 RDB 模式。

# redis aof 基础 #

[Redis AOF 持久化详解][Redis AOF]

# AOF 的一些个人理解 #

## 为什么选择 AOF？ ##

AOF 模式的**性能特别好**，有多好呢？

用过 kafka 的同学肯定知道，kafka 也用到了顺序写这个特性。

顺序写添加文件内容，避免了文件 IO 的随机写问题，性能基本可以和内存媲美。

AOF 的**实时性更好**，这个是相对于 RDB 模式而言的。

我们原来使用 RDB 模式，将缓存内容全部持久化，这个是比较耗时的动作，一般是几分钟持久化一次。

AOF 模式主要是针对修改内容的指令，然后将所有的指令顺序添加到文件中。这样的话，实时性会好很多，可以提升到秒级别，甚至秒级别。

## AOF 的吞吐量 ##

AOF 模式可以每次操作都进行持久化，但是这样会导致吞吐量大大下降。

提升吞吐量最常用的方式就是**批量**，这个 kafka 中也是类似的，比如我们可以 1s 持久化一次，将 1s 内的操作全部放入 buffer 中。

这里其实就是一个 trade-off 问题，实时性与吞吐量的平衡艺术。

实际业务中，1s 的误差一般都是可以接受的，所以这个也是业界比较认可的方式。

## AOF 的异步+多线程 ##

kafka 中所有的操作实际上都是异步+回调的方式实现的。

异步+多线程，确实可以提升操作的性能。

当然 redis 6 以前，其实一直是单线程的。那为什么性能依然这么好呢？

其实多线程也有代价，那就是线程上下文的切换是需要耗时的，保持并发的安全问题，也需要加锁，从而降低性能。

所以这里要考虑异步的收益，与付出的耗时是否成正比的问题。

## AOF 的落盘 ##

我们 AOF 与 RDB 模式，归根结底都是基于操作系统的文件系统做持久化的。

对于开发者而言，可能就是调用一个 api 就实现了，但是实际持久化落盘的动作并不见得就是一步完成的。

文件系统为了提升吞吐量，也会采用类似 buffer 的方式。这忽然有一点俄罗斯套娃的味道。

但是优秀的设计总是相似的，比如说缓存从 cpu 的设计中就有 L1/L2 等等，思路是一致的。

阿里的很多开源技术，都会针对操作系统的落盘做进一步的优化，这个我们后续做深入学习。

## AOF 的缺陷 ##

大道缺一，没有银弹。

AOF 千好万好，和 RDB 对比也存在一个缺陷，那就是指令

# java 实现 #

## 接口 ##

接口和 rdb 的保持一致

/** * 持久化缓存接口 * @author binbin.hou * @since 0.0.7 * @param <K> key * @param <V> value */
    public interface ICachePersist<K, V> { 
    
        /** * 持久化缓存信息 * @param cache 缓存 * @since 0.0.7 */
        void persist(final ICache<K, V> cache);
    
    }

## 注解定义 ##

为了和耗时统计，刷新等特性保持一致，对于操作类的动作才添加到文件中（append to file）我们也基于注解属性来指定，而不是固定写死在代码中，便于后期拓展调整。

/** * 缓存拦截器 * @author binbin.hou * @since 0.0.5 */
    @Documented
    @Inherited
    @Target(ElementType.METHOD)
    @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
    public @interface CacheInterceptor { 
    
        /** * 操作是否需要 append to file，默认为 false * 主要针对 cache 内容有变更的操作，不包括查询操作。 * 包括删除，添加，过期等操作。 * @return 是否 * @since 0.0.10 */
        boolean aof() default false;
    
    }

我们在原来的 `@CacheInterceptor` 注解中添加 aof 属性，用于指定是否对操作开启 aof 模式。

## 指定 aof 模式的方法 ##

我们在会对数据造成变更的方法上指定这个注解属性：

### 过期操作 ###

类似于 spring 的事务拦截器，我们使用代理类调用 expireAt。

expire 方法就不需要添加 aof 拦截了。

/** * 设置过期时间 * @param key key * @param timeInMills 毫秒时间之后过期 * @return this */
    @Override
    @CacheInterceptor
    public ICache<K, V> expire(K key, long timeInMills) { 
        long expireTime = System.currentTimeMillis() + timeInMills;
        // 使用代理调用
        Cache<K,V> cachePoxy = (Cache<K, V>) CacheProxy.getProxy(this);
        return cachePoxy.expireAt(key, expireTime);
    }
    
    /** * 指定过期信息 * @param key key * @param timeInMills 时间戳 * @return this */
    @Override
    @CacheInterceptor(aof = true)
    public ICache<K, V> expireAt(K key, long timeInMills) { 
        this.expire.expire(key, timeInMills);
        return this;
    }

### 变更操作 ###

@Override
    @CacheInterceptor(aof = true)
    public V put(K key, V value) { 
        //1.1 尝试驱除
        CacheEvictContext<K,V> context = new CacheEvictContext<>();
        context.key(key).size(sizeLimit).cache(this);
        boolean evictResult = evict.evict(context);
        if(evictResult) { 
            // 执行淘汰监听器
            ICacheRemoveListenerContext<K,V> removeListenerContext = CacheRemoveListenerContext.<K,V>newInstance().key(key).value(value).type(CacheRemoveType.EVICT.code());
            for(ICacheRemoveListener<K,V> listener : this.removeListeners) { 
                listener.listen(removeListenerContext);
            }
        }
        //2. 判断驱除后的信息
        if(isSizeLimit()) { 
            throw new CacheRuntimeException("当前队列已满，数据添加失败！");
        }
        //3. 执行添加
        return map.put(key, value);
    }
    
    @Override
    @CacheInterceptor(aof = true)
    public V remove(Object key) { 
        return map.remove(key);
    }
    
    @Override
    @CacheInterceptor(aof = true)
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) { 
        map.putAll(m);
    }
    
    @Override
    @CacheInterceptor(refresh = true, aof = true)
    public void clear() { 
        map.clear();
    }

## AOF 持久化拦截实现 ##

### 持久化对象定义 ###

/** * AOF 持久化明细 * @author binbin.hou * @since 0.0.10 */
    public class PersistAofEntry { 
    
        /** * 参数信息 * @since 0.0.10 */
        private Object[] params;
    
        /** * 方法名称 * @since 0.0.10 */
        private String methodName;
    
        //getter & setter &toString
    }

这里我们只需要方法名，和参数对象。

暂时实现的简单一些即可。

### 持久化拦截器 ###

我们定义拦截器，当 cache 中定义的持久化类为 `CachePersistAof` 时，将操作的信息放入到 CachePersistAof 的 buffer 列表中。

public class CacheInterceptorAof<K,V> implements ICacheInterceptor<K, V> { 
    
        private static final Log log = LogFactory.getLog(CacheInterceptorAof.class);
    
        @Override
        public void before(ICacheInterceptorContext<K,V> context) { 
        }
    
        @Override
        public void after(ICacheInterceptorContext<K,V> context) { 
            // 持久化类
            ICache<K,V> cache = context.cache();
            ICachePersist<K,V> persist = cache.persist();
    
            if(persist instanceof CachePersistAof) { 
                CachePersistAof<K,V> cachePersistAof = (CachePersistAof<K,V>) persist;
    
                String methodName = context.method().getName();
                PersistAofEntry aofEntry = PersistAofEntry.newInstance();
                aofEntry.setMethodName(methodName);
                aofEntry.setParams(context.params());
    
                String json = JSON.toJSONString(aofEntry);
    
                // 直接持久化
                log.debug("AOF 开始追加文件内容：{}", json);
                cachePersistAof.append(json);
                log.debug("AOF 完成追加文件内容：{}", json);
            }
        }
    
    }

### 拦截器调用 ###

当 AOF 的注解属性为 true 时，调用上述拦截器即可。

这里为了避免浪费，只有当持久化类为 AOF 模式时，才进行调用。

//3. AOF 追加
    final ICachePersist cachePersist = cache.persist();
    if(cacheInterceptor.aof() && (cachePersist instanceof CachePersistAof)) { 
        if(before) { 
            persistInterceptors.before(interceptorContext);
        } else { 
            persistInterceptors.after(interceptorContext);
        }
    }

## AOF持久化实现 ##

这里的 AOF 模式和以前的 RDB 持久化类只是不同的模式，实际上二者是相同的接口。

### 接口 ###

这里我们统一定义了不同的持久化类的时间，便于 RDB 与 AOF 不同任务的不同时间间隔触发。

public interface ICachePersist<K, V> { 
    
        /** * 持久化缓存信息 * @param cache 缓存 * @since 0.0.7 */
        void persist(final ICache<K, V> cache);
    
        /** * 延迟时间 * @return 延迟 * @since 0.0.10 */
        long delay();
    
        /** * 时间间隔 * @return 间隔 * @since 0.0.10 */
        long period();
    
        /** * 时间单位 * @return 时间单位 * @since 0.0.10 */
        TimeUnit timeUnit();
    }

### 持久化类实现 ###

实现一个 Buffer 列表，用于每次拦截器直接顺序添加。

持久化的实现也比较简单，追加到文件之后，直接清空 buffer 列表即可。

/** * 缓存持久化-AOF 持久化模式 * @author binbin.hou * @since 0.0.10 */
    public class CachePersistAof<K,V> extends CachePersistAdaptor<K,V> { 
    
        private static final Log log = LogFactory.getLog(CachePersistAof.class);
    
        /** * 缓存列表 * @since 0.0.10 */
        private final List<String> bufferList = new ArrayList<>();
    
        /** * 数据持久化路径 * @since 0.0.10 */
        private final String dbPath;
    
        public CachePersistAof(String dbPath) { 
            this.dbPath = dbPath;
        }
    
        /** * 持久化 * key长度 key+value * 第一个空格，获取 key 的长度，然后截取 * @param cache 缓存 */
        @Override
        public void persist(ICache<K, V> cache) { 
            log.info("开始 AOF 持久化到文件");
            // 1. 创建文件
            if(!FileUtil.exists(dbPath)) { 
                FileUtil.createFile(dbPath);
            }
            // 2. 持久化追加到文件中
            FileUtil.append(dbPath, bufferList);
    
            // 3. 清空 buffer 列表
            bufferList.clear();
            log.info("完成 AOF 持久化到文件");
        }
    
        @Override
        public long delay() { 
            return 1;
        }
    
        @Override
        public long period() { 
            return 1;
        }
    
        @Override
        public TimeUnit timeUnit() { 
            return TimeUnit.SECONDS;
        }
    
        /** * 添加文件内容到 buffer 列表中 * @param json json 信息 * @since 0.0.10 */
        public void append(final String json) { 
            if(StringUtil.isNotEmpty(json)) { 
                bufferList.add(json);
            }
        }
    
    }

## 持久化测试 ##

### 测试代码 ###

ICache<String, String> cache = CacheBs.<String,String>newInstance()
            .persist(CachePersists.<String, String>aof("1.aof"))
            .build();
    cache.put("1", "1");
    cache.expire("1", 10);
    cache.remove("2");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

### 测试日志 ###

expire 实际上调用的是 expireAt。

[DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.979] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 开始追加文件内容：{"methodName":"put","params":["1","1"]}
    [DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.980] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 完成追加文件内容：{"methodName":"put","params":["1","1"]}
    [DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.982] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 开始追加文件内容：{"methodName":"expireAt","params":["1",1601612441990]}
    [DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.982] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 完成追加文件内容：{"methodName":"expireAt","params":["1",1601612441990]}
    [DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.984] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 开始追加文件内容：{"methodName":"remove","params":["2"]}
    [DEBUG] [2020-10-02 12:20:41.984] [main] [c.g.h.c.c.s.i.a.CacheInterceptorAof.after] - AOF 完成追加文件内容：{"methodName":"remove","params":["2"]}
    [DEBUG] [2020-10-02 12:20:42.088] [pool-1-thread-1] [c.g.h.c.c.s.l.r.CacheRemoveListener.listen] - Remove key: 1, value: 1, type: expire
    [INFO] [2020-10-02 12:20:42.789] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.InnerCachePersist.run] - 开始持久化缓存信息
    [INFO] [2020-10-02 12:20:42.789] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.CachePersistAof.persist] - 开始 AOF 持久化到文件
    [INFO] [2020-10-02 12:20:42.798] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.CachePersistAof.persist] - 完成 AOF 持久化到文件
    [INFO] [2020-10-02 12:20:42.799] [pool-2-thread-1] [c.g.h.c.c.s.p.InnerCachePersist.run] - 完成持久化缓存信息

### 文件内容 ###

`1.aof` 的文件内容如下

{"methodName":"put","params":["1","1"]}
    {"methodName":"expireAt","params":["1",1601612441990]}
    {"methodName":"remove","params":["2"]}

将每一次的操作，简单的存储到文件中。

# AOF 加载实现 #

## 加载 ##

类似于 RDB 的加载模式，aof 的加载模式也是类似的。

我们需要根据文件的内容，还原以前的缓存的内容。

实现思路：遍历文件内容，反射调用原来的方法。

## 代码实现 ##

### 解析文件 ###

@Override
    public void load(ICache<K, V> cache) { 
        List<String> lines = FileUtil.readAllLines(dbPath);
        log.info("[load] 开始处理 path: {}", dbPath);
        if(CollectionUtil.isEmpty(lines)) { 
            log.info("[load] path: {} 文件内容为空，直接返回", dbPath);
            return;
        }
    
        for(String line : lines) { 
            if(StringUtil.isEmpty(line)) { 
                continue;
            }
            // 执行
            // 简单的类型还行，复杂的这种反序列化会失败
            PersistAofEntry entry = JSON.parseObject(line, PersistAofEntry.class);
            final String methodName = entry.getMethodName();
            final Object[] objects = entry.getParams();
            final Method method = METHOD_MAP.get(methodName);
            // 反射调用
            ReflectMethodUtil.invoke(cache, method, objects);
        }
    }

### 方法映射的预加载 ###

Method 反射是固定的，为了提升性能，我们做一下预处理。

/** * 方法缓存 * * 暂时比较简单，直接通过方法判断即可，不必引入参数类型增加复杂度。 * @since 0.0.10 */
    private static final Map<String, Method> METHOD_MAP = new HashMap<>();
    static { 
        Method[] methods = Cache.class.getMethods();
        for(Method method : methods){ 
            CacheInterceptor cacheInterceptor = method.getAnnotation(CacheInterceptor.class);
            if(cacheInterceptor != null) { 
                // 暂时
                if(cacheInterceptor.aof()) { 
                    String methodName = method.getName();
                    METHOD_MAP.put(methodName, method);
                }
            }
        }
    }

## 测试 ##

### 文件内容 ###

*  default.aof

{"methodName":"put","params":["1","1"]}

### 测试 ###

ICache<String, String> cache = CacheBs.<String,String>newInstance()
            .load(CacheLoads.<String, String>aof("default.aof"))
            .build();
    
    Assert.assertEquals(1, cache.size());
    System.out.println(cache.keySet());

直接将 default.aof 文件加载到 cache 缓存中。

# 小结 #

redis 的文件持久化，实际上更加丰富。

可以支持 rdb 和 aof 两种模式混合使用。

aof 模式的文件体积会非常大，redis 为了解决这个问题，会定时对命令进行压缩处理。

可以理解为 aof 就是一个操作流水表，我们实际上关心的只是一个终态，不论中间经过了多少步骤，我们只关心最后的值。

文中主要讲述了思路，实现部分因为篇幅限制，没有全部贴出来。

> 开源地址：[https://github.com/houbb/cache][https_github.com_houbb_cache]

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[java_redis]: https://mp.weixin.qq.com/s/6J2K2k4Db_20eGU6xGYVTw
[java_redis_redis expire]: https://mp.weixin.qq.com/s/BWfBc98oLqhAPLN2Hgkwow
[java_redis 1]: https://mp.weixin.qq.com/s/G41SRZQm1_0uQXBAGHAYbw
[java_redis 2]: https://mp.weixin.qq.com/s/6pIG3l_wkXBwSuJvj_KwMA
[java_redis 3]: https://mp.weixin.qq.com/s/Atrd36UGds9_w_NFQDoEQg
[Redis AOF]: https://houbb.github.io/2018/12/12/redis-learn-08-aof-persist
[https_github.com_houbb_cache]: https://github.com/houbb/cache