《Redis 设计与实现：RDB 持久化》

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RDB 持久化功能所生成的 RDB 文件是一个经过压缩的二进制文件，通过该文件可以还原生成RDB文件时的数据库状态。

1. RDB 文件的创建与载入

有两个 Redis 命令可以用于生成 RDB 文件，一个是 SAVE，另一个是 BGSAVE。

SAVE 命令会阻塞 Redis 服务器进程，直到 RDB 文件创建完毕为止，在服务器进程阻塞期间，服务器不能处理任何命令请求。

和 SAVE 命令直接阻塞服务器进程的做法不同，BGSAVE 命令会派生出一个子进程，然后由子进程负责创建 RDB 文件，服务器进程（父进程）继续处理命令请求。

创建 RDB 文件的实际工作由 rdb.c/rdbSave 函数完成，SAVE 命令和 BGSAVE 命令会以不同的方式调用这个函数，通过以下伪代码可以明显地看出这两个命令之间的区别：

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def SAVE():

    #创建RDB文件
    rdbSave()
    
def BGSAVE():

    #创建子进程
    pid = fork()
    
    if pid == 0:
    
        #子进程负责创建RDB文件
        rdbSave()
        
        #完成之后向父进程发送信号
        signal_parent()
        
    elif pid ＞ 0:
    
        #父进程继续处理命令请求，并通过轮询等待子进程的信号
        handle_request_and_wait_signal()
        
    else:
        #处理出错情况
        handle_fork_error()

和使用 SAVE 命令或者 BGSAVE 命令创建 RDB 文件不同，RDB 文件的载入工作是在服务器启动时自动执行的，所以 Redis 并没有专门用于载入 RDB 文件的命令，只要 Redis 服务器在启动时检测到 RDB 文件存在，它就会自动载入 RDB 文件。

以下是 Redis 服务器启动时打印的日志记录，其中第二条日志 DB loaded from disk:… 就是服务器在成功载入 RDB 文件之后打印的：

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$ redis-server
[7379] 30 Aug 21:07:01.270 # Server started, Redis version 2.9.11
[7379] 30 Aug 21:07:01.289 * DB loaded from disk: 0.018 seconds
[7379] 30 Aug 21:07:01.289 * The server is now ready to accept connections on port 6379

因为 AOF 文件的更新频率通常比RDB文件的更新频率高，所以：

  • 如果服务器开启了 AOF 持久化功能，那么服务器会优先使用 AOF 文件来还原数据库状态。
  • 只有在 AOF 持久化功能处于关闭状态时，服务器才会使用 RDB 文件来还原数据库状态。

载入 RDB 文件的实际工作由 rdb.c/rdbLoad 函数完成。

1.1 SAVE 命令执行时的服务器状态

当 SAVE 命令执行时，Redis 服务器会被阻塞，所以当 SAVE 命令正在执行时，客户端发送的所有命令请求都会被拒绝。只有在服务器执行完 SAVE 命令、重新开始接受命令请求之后，客户端发送的命令才会被处理。

1.2 BGSAVE 命令执行时的服务器状态

因为 BGSAVE 命令的保存工作是由子进程执行的，所以在子进程创建 RDB 文件的过程中，Redis 服务器仍然可以继续处理客户端的命令请求，但是，在 BGSAVE 命令执行期间，服务器处理 SAVE、BGSAVE、BGREWRITEAOF 三个命令的方式会和平时有所不同。

首先，在 BGSAVE 命令执行期间，客户端发送的 SAVE 命令会被服务器拒绝，服务器禁止 SAVE 命令和 BGSAVE 命令同时执行是为了避免父进程（服务器进程）和子进程同时执行两个 rdbSave 调用，防止产生竞争条件。

其次，在 BGSAVE 命令执行期间，客户端发送的 BGSAVE 命令会被服务器拒绝，因为同时执行两个 BGSAVE 命令也会产生竞争条件。

最后，BGREWRITEAOF 和 BGSAVE 两个命令不能同时执行：

  • 如果 BGSAVE 命令正在执行，那么客户端发送的 BGREWRITEAOF 命令会被延迟到 BGSAVE 命令执行完毕之后执行。
  • 如果 BGREWRITEAOF 命令正在执行，那么客户端发送的 BGSAVE 命令会被服务器拒绝。

因为 BGREWRITEAOF 和 BGSAVE 两个命令的实际工作都由子进程执行，所以这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，并且这两个子进程都同时执行大量的磁盘写入操作，这怎么想都不会是一个好主意。

1.3 RDB 文件载入时的服务器状态

服务器在载入 RDB 文件期间，会一直处于阻塞状态，直到载入工作完成为止。

2. 自动间隔性保存

Redis 允许用户通过设置服务器配置的 save 选项，让服务器每隔一段时间自动执行一次 BGSAVE 命令。用户可以通过 save 选项设置多个保存条件，但只要其中任意一个条件被满足，服务器就会执行 BGSAVE 命令。

举个例子，如果我们向服务器提供以下配置：

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save 900 1
save 300 10
save 60 10000

那么只要满足以下三个条件中的任意一个，BGSAVE 命令就会被执行：

  • 服务器在 900 秒之内，对数据库进行了至少 1 次修改。
  • 服务器在 300 秒之内，对数据库进行了至少 10 次修改。
  • 服务器在 60 秒之内，对数据库进行了至少 10000 次修改。

举个例子，以下是 Redis 服务器在 60 秒之内，对数据库进行了至少 10000 次修改之后，服务器自动执行 BGSAVE 命令时打印出来的日志：

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[5085] 03 Sep 17:09:49.463 * 10000 changes in 60 seconds. Saving...
[5085] 03 Sep 17:09:49.463 * Background saving started by pid 5189
[5189] 03 Sep 17:09:49.522 * DB saved on disk
[5189] 03 Sep 17:09:49.522 * RDB: 0 MB of memory used by copy-on-write
[5085] 03 Sep 17:09:49.563 * Background saving terminated with success

2.1 设置保存条件

当 Redis 服务器启动时，用户可以通过指定配置文件或者传入启动参数的方式设置 save 选项，如果用户没有主动设置 save 选项，那么服务器会为 save 选项设置默认条件：

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save 900 1
save 300 10
save 60 10000

接着，服务器程序会根据 save 选项所设置的保存条件，设置服务器状态 redisServer 结构的 saveparams 属性：

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struct redisServer {
    // ...
    //记录了保存条件的数组
    struct saveparam *saveparams;
    // ...
};

saveparams 属性是一个数组，数组中的每个元素都是一个 saveparam 结构，每个 saveparam 结构都保存了一个 save 选项设置的保存条件：

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struct saveparam {
    //秒数
    time_t seconds;
    //修改数
    int changes;
};

2.2 dirty 计数器和 lastsave 属性

除了 saveparams 数组之外，服务器状态还维持着一个 dirty 计数器，以及一个 lastsave 属性：

  • dirty 计数器记录距离上一次成功执行 SAVE 命令或者 BGSAVE 命令之后，服务器对数据库状态（服务器中的所有数据库）进行了多少次修改（包括写入、删除、更新等操作）。
  • lastsave 属性是一个 UNIX 时间戳，记录了服务器上一次成功执行 SAVE 命令或者 BGSAVE 命令的时间。
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struct redisServer {
    // ...
    //修改计数器
    long long dirty;
    //上一次执行保存的时间
    time_t lastsave;
    // ...
};

当服务器成功执行一个数据库修改命令之后，程序就会对 dirty 计数器进行更新：命令修改了多少次数据库，dirty 计数器的值就增加多少。

2.3 检查保存条件是否满足

Redis 的服务器周期性操作函数 serverCron 默认每隔 100 毫秒就会执行一次，该函数用于对正在运行的服务器进行维护，它的其中一项工作就是检查 save 选项所设置的保存条件是否已经满足，如果满足的话，就执行 BGSAVE 命令。

以下伪代码展示了 serverCron 函数检查保存条件的过程：

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def serverCron():

    # ...
    
    #遍历所有保存条件
	for saveparam in server.saveparams:
	
        #计算距离上次执行保存操作有多少秒
        save_interval = unixtime_now()-server.lastsave
        
        #如果数据库状态的修改次数超过条件所设置的次数
        #并且距离上次保存的时间超过条件所设置的时间
        #那么执行保存操作
        if server.dirty ＞= saveparam.changes and \
           save_interval ＞ saveparam.seconds:
           
            BGSAVE()
            
    # ...

程序会遍历并检查 saveparams 数组中的所有保存条件，只要有任意一个条件被满足，那么服务器就会执行 BGSAVE 命令。

3. RDB文件结构

一个完整 RDB 文件包含：

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+-----+----------+---------+---+---------+
|     |          |         |   |         |
|REDIS|db_version|databases|EOF|check_sum|
|     |          |         |   |         |
+-----+----------+---------+---+---------+

RDB 文件的最开头是 REDIS 部分，这个部分的长度为 5 字节，保存着 “REDIS” 五个字符。通过这五个字符，程序可以在载入文件时，快速检查所载入的文件是否 RDB 文件。

db_version 长度为 4 字节，它的值是一个字符串表示的整数，这个整数记录了 RDB 文件的版本号，比如 “0006” 就代表 RDB 文件的版本为第六版。

databases 部分包含着零个或任意多个数据库，以及各个数据库中的键值对数据：

  • 如果服务器的数据库状态为空（所有数据库都是空的），那么这个部分也为空，长度为 0 字节。
  • 如果服务器的数据库状态为非空（有至少一个数据库非空），那么这个部分也为非空，根据数据库所保存键值对的数量、类型和内容不同，这个部分的长度也会有所不同。

EOF 常量的长度为 1 字节，这个常量标志着 RDB 文件正文内容的结束，当读入程序遇到这个值的时候，它知道所有数据库的所有键值对都已经载入完毕了。

check_sum 是一个 8 字节长的无符号整数，保存着一个校验和，这个校验和是程序通过对 REDIS、db_version、databases、EOF 四个部分的内容进行计算得出的。服务器在载入 RDB 文件时，会将载入数据所计算出的校验和与 check_sum 所记录的校验和进行对比，以此来检查 RDB 文件是否有出错或者损坏的情况出现。

3.1 databases 部分

一个 RDB 文件的 databases 部分可以保存任意多个非空数据库。每个非空数据库在 RDB 文件中都可以保存为 SELECTDB、db_number、key_value_pairs 三个部分。

SELECTDB 常量的长度为 1 字节，当读入程序遇到这个值的时候，它知道接下来要读入的将是一个数据库号码。

db_number 保存着一个数据库号码，根据号码的大小不同，这个部分的长度可以是 1 字节、2 字节或者 5 字节。当程序读入 db_number 部分之后，服务器会调用 SELECT 命令，根据读入的数据库号码进行数据库切换，使得之后读入的键值对可以载入到正确的数据库中。

key_value_pairs 部分保存了数据库中的所有键值对数据，如果键值对带有过期时间，那么过期时间也会和键值对保存在一起。根据键值对的数量、类型、内容以及是否有过期时间等条件的不同，key_value_pairs 部分的长度也会有所不同。

3.2 key_value_pairs 部分

RDB 文件中的每个 key_value_pairs 部分都保存了一个或以上数量的键值对，如果键值对带有过期时间的话，那么键值对的过期时间也会被保存在内。

不带过期时间的键值对在 RDB 文件中由 TYPE、key、value 三部分组成。

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TYPE | key | value

TYPE 记录了 value 的类型，长度为1字节，值可以是以下常量的其中一个：

  • REDIS_RDB_TYPE_STRING
  • REDIS_RDB_TYPE_LIST
  • REDIS_RDB_TYPE_SET
  • REDIS_RDB_TYPE_ZSET
  • REDIS_RDB_TYPE_HASH
  • REDIS_RDB_TYPE_LIST_ZIPLIST
  • REDIS_RDB_TYPE_SET_INTSET
  • REDIS_RDB_TYPE_ZSET_ZIPLIST
  • REDIS_RDB_TYPE_HASH_ZIPLIST

以上列出的每个 TYPE 常量都代表了一种对象类型或者底层编码，当服务器读入 RDB 文件中的键值对数据时，程序会根据 TYPE 的值来决定如何读入和解释 value 的数据。key 和 value 分别保存了键值对的键对象和值对象：

  • 其中 key 总是一个字符串对象，它的编码方式和 REDIS_RDB_TYPE_STRING 类型的 value 一样。根据内容长度的不同，key 的长度也会有所不同。
  • 根据 TYPE 类型的不同，以及保存内容长度的不同，保存 value 的结构和长度也会有所不同。

带有过期时间的键值对在 RDB 文件中的结构：

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EXPIRETIME_MS | ms | TYPE | key | value

带有过期时间的键值对中的 TYPE、key、value 三个部分的意义，和前面介绍的不带过期时间的键值对的 TYPE、key、value 三个部分的意义完全相同，至于新增的 EXPIRETIME_MS 和 ms，它们的意义如下：

  • EXPIRETIME_MS 常量的长度为 1 字节，它告知读入程序，接下来要读入的将是一个以毫秒为单位的过期时间。
  • ms 是一个 8 字节长的带符号整数，记录着一个以毫秒为单位的 UNIX 时间戳，这个时间戳就是键值对的过期时间。

3.3 value 的编码

RDB 文件中的每个 value 部分都保存了一个值对象，每个值对象的类型都由与之对应的 TYPE 记录，根据类型的不同，value 部分的结构、长度也会有所不同。

3.3.1 字符串对象

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_STRING，那么 value 保存的就是一个字符串对象，字符串对象的编码可以是 REDIS_ENCODING_INT 或者 REDIS_ENCODING_RAW。

如果字符串对象的编码为 REDIS_ENCODING_INT，那么说明对象中保存的是长度不超过 32 位的整数，这种编码的对象将以下面的结构保存：

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ENCODING | integer

其中，ENCODING 的值可以是 REDIS_RDB_ENC_INT8、REDIS_RDB_ENC_INT16 或者 REDIS_RDB_ENC_INT32 三个常量的其中一个，它们分别代表 RDB 文件使用 8 位（bit）、16 位或者 32 位来保存整数值 integer。

如果字符串对象的编码为 REDIS_ENCODING_RAW，那么说明对象所保存的是一个字符串值，根据字符串长度的不同，有压缩和不压缩两种方法来保存这个字符串：

  • 如果字符串的长度小于等于 20 字节，那么这个字符串会直接被原样保存。
  • 如果字符串的长度大于 20 字节，那么这个字符串会被压缩之后再保存。

如果服务器关闭了 RDB 文件压缩功能，那么 RDB 程序总以无压缩的方式保存字符串值。

对于没有被压缩的字符串，RDB 程序会以下面的结构来保存该字符串：

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len | string

其中，string 部分保存了字符串值本身，而 len 保存了字符串值的长度。

对于压缩后的字符串，RDB 程序会以下面的结构来保存该字符串：

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REDIS_RDB_ENC_LZF | compressed_len | origin_len | compressed_string

其中，REDIS_RDB_ENC_LZF 常量标志着字符串已经被 LZF 算法（http://liblzf.plan9.de）压缩过了，读入程序在碰到这个常量时，会根据之后的 compressed_len、origin_len 和 compressed_string 三部分，对字符串进行解压缩：其中 compressed_len 记录的是字符串被压缩之后的长度，而 origin_len 记录的是字符串原来的长度，compressed_string 记录的则是被压缩之后的字符串。

3.3.2 列表对象

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_LIST，那么 value 保存的就是一个 REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 编码的列表对象，RDB 文件保存这种对象的结构如下：

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list_length | item1 | item2 | ... | itemN

list_length 记录了列表的长度，它记录列表保存了多少个项（item），读入程序可以通过这个长度知道自己应该读入多少个列表项。

3.3.3 集合对象

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_SET，那么 value 保存的就是一个 REDIS_ENCODING_HT 编码的集合对象，RDB 文件保存这种对象的结构如下：

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set_size | elem1 | elem2 | ... | elemN

其中，set_size 是集合的大小，它记录集合保存了多少个元素，读入程序可以通过这个大小知道自己应该读入多少个集合元素。

3.3.4 哈希表对象

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_HASH，那么 value 保存的就是一个 REDIS_ENCODING_HT 编码的集合对象，RDB 文件保存这种对象的结构如下：

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hash_size | key1 | value1 | key2 | value2 | ... | keyN | valueN
  • hash_size 记录了哈希表的大小，也即是这个哈希表保存了多少键值对，读入程序可以通过这个大小知道自己应该读入多少个键值对。
  • 键值对的键和值都是字符串对象，所以程序会以处理字符串对象的方式来保存和读入键值对。

3.3.5 有序集合对象

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_ZSET，那么 value 保存的就是一个 REDIS_ENCODING_SKIPLIST 编码的有序集合对象，RDB 文件保存这种对象的结构如下：

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sorted_set_size | member1 | score1 | member2 | score2 | ... | memberN | scoreN

以 element 开头的部分代表有序集合中的元素，每个元素又分为成员（member）和分值（score）两部分，成员是一个字符串对象，分值则是一个 double 类型的浮点数，程序在保存 RDB 文件时会先将分值转换成字符串对象，然后再用保存字符串对象的方法将分值保存起来。

3.3.6 INTSET 编码的集合

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_SET_INTSET，那么 value 保存的就是一个整数集合对象，RDB 文件保存这种对象的方法是，先将整数集合转换为字符串对象，然后将这个字符串对象保存到 RDB 文件里面。

如果程序在读入 RDB 文件的过程中，碰到由整数集合对象转换成的字符串对象，那么程序会根据 TYPE 值的指示，先读入字符串对象，再将这个字符串对象转换成原来的整数集合对象。

3.3.7 ZIPLIST 编码的列表、哈希表或者有序集合

如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_LIST_ZIPLIST、REDIS_RDB_TYPE_HASH_ZIPLIST 或者 REDIS_RDB_TYPE_ZSET_ZIPLIST，那么 value 保存的就是一个压缩列表对象，RDB 文件保存这种对象的方法是：

  1. 将压缩列表转换成一个字符串对象。
  2. 将转换所得的字符串对象保存到RDB文件。

如果程序在读入 RDB 文件的过程中，碰到由压缩列表对象转换成的字符串对象，那么程序会根据 TYPE 值的指示，执行以下操作：

  1. 读入字符串对象，并将它转换成原来的压缩列表对象。
  2. 根据 TYPE 的值，设置压缩列表对象的类型：如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_LIST_ZIPLIST，那么压缩列表对象的类型为列表；如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_HASH_ZIPLIST，那么压缩列表对象的类型为哈希表；如果 TYPE 的值为 REDIS_RDB_TYPE_ZSET_ZIPLIST，那么压缩列表对象的类型为有序集合。