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Redis源码剖析之RDB

我们小学三年级的时候就知道,redis是一个纯内存存储的中间件,那它宕机会怎么样?数据会丢失吗?答案是可以不丢。 事实上redis为了保证宕机时数据不丢失,提供了两种数据持久化的机制——rdb和aof。

rdb就定期将内存里的数据全量dump到磁盘里,下次启动时就可以直接加载之前的数据了,rdb的问题是它只能提供某个时刻的数据快照,无法保证建立快照后的数据不丢,所以redis还提供了aof。aof全程是Append Only File,它的原理就是把所有改动一条条写到磁盘上。这篇博客我们来重点介绍下rdb持久性的实现,aof留到下一篇博客。

rdb相关源码

在redis中,触发rdb保存主要有以下几种方式。

save命令

我们在redis-cli下直接调用save命令就会触发rdb文件的生成,如果后台没有在子进程在生成rdb,就会调用rdbSave()生成rdb文件,并将其保存在磁盘中。

void saveCommand(client *c) {
    // 检查是否后台已经有进程在执行save,如果有就停止执行。
    if (server.child_type == CHILD_TYPE_RDB) {
        addReplyError(c,"Background save already in progress");
        return;
    }
    rdbSaveInfo rsi, *rsiptr;
    rsiptr = rdbPopulateSaveInfo(&rsi);
    if (rdbSave(server.rdb_filename,rsiptr) == C_OK) {
        addReply(c,shared.ok);
    } else {
        addReplyErrorObject(c,shared.err);
    }
}

Redis 的 rdbSave 函数是真正进行 RDB 持久化的函数,它的大致流程如下:

  1. 首先创建一个临时文件。
  2. 创建并初始化rio,rio是redis对io的一种抽象,提供了read、write、flush、checksum……等方法。
  3. 调用 rdbSaveRio(),将当前 Redis 的内存信息全量写入到临时文件中。
  4. 调用 fflush、 fsync 和 fclose 接口将文件写入磁盘中。
  5. 使用 rename 将临时文件改名为 正式的 RDB 文件。
  6. 将server.dirty清零,server.dirty是用了记录在上次生成rdb后有多少次数据变更,会在serverCron中用到。

具体代码如下:

/* rdb磁盘写入操作 */
int rdbSave(char *filename, rdbSaveInfo *rsi) {
    char tmpfile[256];
    char cwd[MAXPATHLEN]; /* Current working dir path for error messages. */
    FILE *fp = NULL;
    rio rdb;
    int error = 0;

    snprintf(tmpfile,256,"temp-%d.rdb", (int) getpid());
    fp = fopen(tmpfile,"w");
    if (!fp) {
        char *cwdp = getcwd(cwd,MAXPATHLEN);
        serverLog(LL_WARNING,
            "Failed opening the RDB file %s (in server root dir %s) "
            "for saving: %s",
            filename,
            cwdp ? cwdp : "unknown",
            strerror(errno));
        return C_ERR;
    }

    rioInitWithFile(&rdb,fp);  // 初始化rio,
    startSaving(RDBFLAGS_NONE);

    if (server.rdb_save_incremental_fsync)
        rioSetAutoSync(&rdb,REDIS_AUTOSYNC_BYTES);
    // 内存数据dump到rdb 
    if (rdbSaveRio(&rdb,&error,RDBFLAGS_NONE,rsi) == C_ERR) {
        errno = error;
        goto werr;
    }

    /* 把数据刷到磁盘删,确保操作系统缓冲区没有剩余数据 */
    if (fflush(fp)) goto werr;
    if (fsync(fileno(fp))) goto werr;
    if (fclose(fp)) { fp = NULL; goto werr; }
    fp = NULL;

    /* 把临时文件重命名为正式文件名 */
    if (rename(tmpfile,filename) == -1) {
        char *cwdp = getcwd(cwd,MAXPATHLEN);
        serverLog(LL_WARNING,
            "Error moving temp DB file %s on the final "
            "destination %s (in server root dir %s): %s",
            tmpfile,
            filename,
            cwdp ? cwdp : "unknown",
            strerror(errno));
        unlink(tmpfile);
        stopSaving(0);
        return C_ERR;
    }

    serverLog(LL_NOTICE,"DB saved on disk");
    server.dirty = 0;
    server.lastsave = time(NULL);
    server.lastbgsave_status = C_OK;
    stopSaving(1);
    return C_OK;

werr:
    serverLog(LL_WARNING,"Write error saving DB on disk: %s", strerror(errno));
    if (fp) fclose(fp);
    unlink(tmpfile);
    stopSaving(0);
    return C_ERR;
}

因为redis是单线程模型,所以在save的过程中处理不了请求,单线程模型可以save的过程中不会有数据变化,但save可能会持续很久,这会导致redis无法正常处理读写请求,对于线上服务来说这是非常致命的,所以redis还提供了bgsave命令,它可以在不影响正常读写的情况下执行save操作,我们来看下具体实现。

bgsave命令

bgsave提供了后台生成rdb文件的功能,bg含义就是background,具体怎么实现的? 其实就是调用fork() 生成了一个子进程,然后在子进程中完成了save的过程。

void bgsaveCommand(client *c) {
    int schedule = 0;

    /* The SCHEDULE option changes the behavior of BGSAVE when an AOF rewrite
     * is in progress. Instead of returning an error a BGSAVE gets scheduled. */
    if (c->argc > 1) {
        if (c->argc == 2 && !strcasecmp(c->argv[1]->ptr,"schedule")) {
            schedule = 1;
        } else {
            addReplyErrorObject(c,shared.syntaxerr);
            return;
        }
    }

    rdbSaveInfo rsi, *rsiptr;
    rsiptr = rdbPopulateSaveInfo(&rsi);

    if (server.child_type == CHILD_TYPE_RDB) {
        addReplyError(c,"Background save already in progress");
    } else if (hasActiveChildProcess()) {
        if (schedule) {
            server.rdb_bgsave_scheduled = 1;  // 如果bgsave已经在执行中了,这次执行会放到serverCron中执行
            addReplyStatus(c,"Background saving scheduled");
        } else {
            addReplyError(c,
            "Another child process is active (AOF?): can't BGSAVE right now. "
            "Use BGSAVE SCHEDULE in order to schedule a BGSAVE whenever "
            "possible.");
        }
    } else if (rdbSaveBackground(server.rdb_filename,rsiptr) == C_OK) {
        addReplyStatus(c,"Background saving started");
    } else {
        addReplyErrorObject(c,shared.err);
    }
}

int rdbSaveBackground(char *filename, rdbSaveInfo *rsi) {
    pid_t childpid;

    if (hasActiveChildProcess()) return C_ERR;

    server.dirty_before_bgsave = server.dirty;
    server.lastbgsave_try = time(NULL);
    // 创建子进程,redisFork实际就是对fork的封装 
    if ((childpid = redisFork(CHILD_TYPE_RDB)) == 0) {
        int retval;

        /* 子进程 */
        redisSetProcTitle("redis-rdb-bgsave");
        redisSetCpuAffinity(server.bgsave_cpulist);
        retval = rdbSave(filename,rsi);
        if (retval == C_OK) {
            sendChildCowInfo(CHILD_INFO_TYPE_RDB_COW_SIZE, "RDB");
        }
        exitFromChild((retval == C_OK) ? 0 : 1);
    } else {
        /* 父进程 */
        if (childpid == -1) {
            server.lastbgsave_status = C_ERR;
            serverLog(LL_WARNING,"Can't save in background: fork: %s",
                strerror(errno));
            return C_ERR;
        }
        serverLog(LL_NOTICE,"Background saving started by pid %ld",(long) childpid);
        server.rdb_save_time_start = time(NULL);
        server.rdb_child_type = RDB_CHILD_TYPE_DISK;
        return C_OK;
    }
    return C_OK; /* unreached */
}

bgsave其实就是把save的流程放到子进程里执行,这样就不会阻塞到父进程了。我最开始看到这里的时候有个问题,父进程在持续读写内存的情况下子进程是如何保存某一时刻快照的? 这个redid中没有特殊处理,还是依赖了操作系统提供的fork()。
当一个进程调用fork()时,操作系统会复制一份当前的进程,包括当前进程中的内存内容。所以可以认为只要fork()成功,当前内存中的数据就被全量复制了一份。当然具体实现上内核为了提升fork()的性能,使用了copy-on-write的技术,只有被复制的数据在被父进程或者子进程改动时才会真正拷贝。

serverCron

上面生成rdb的两种方式都是被动触发的,redis也提供定期生成rdb的机制。redis关于rdb生成的配置如下:

save <seconds> <changes> 
## 例如
save 3600 1 # 3600秒内如果有1条写书就生成rdb
save 300 100 # 300秒内如果有100条写书就生成rdb
save 60 10000 # 60秒内如果有1000条写书就生成rdb

定期生成rdb的实现在server.c 中的serverCron中。serverCron是redis每次执行完一次eventloop执行的定期调度任务,里面就有rdb和aof的执行逻辑,rdb相关具体如下:

int serverCron(struct aeEventLoop *eventLoop, long long id, void *clientData) {
    /*
    . 略去其他代码
    */
    /* 检测bgsave和aof重写是否在执行过程中 */
    if (hasActiveChildProcess() || ldbPendingChildren())
    {
        run_with_period(1000) receiveChildInfo();
        checkChildrenDone();
    } else {
        /* If there is not a background saving/rewrite in progress check if
         * we have to save/rewrite now. */
        for (j = 0; j < server.saveparamslen; j++) {
            struct saveparam *sp = server.saveparams+j;

            /* 检查是否达到了执行save的标准 */
            if (server.dirty >= sp->changes &&
                server.unixtime-server.lastsave > sp->seconds &&
                (server.unixtime-server.lastbgsave_try >
                 CONFIG_BGSAVE_RETRY_DELAY ||
                 server.lastbgsave_status == C_OK))
            {
                serverLog(LL_NOTICE,"%d changes in %d seconds. Saving...",
                    sp->changes, (int)sp->seconds);
                rdbSaveInfo rsi, *rsiptr;
                rsiptr = rdbPopulateSaveInfo(&rsi);
                rdbSaveBackground(server.rdb_filename,rsiptr);
                break;
            }
        }
    }
    /*
    . 略去其他代码
    */
    /* 如果上次触发bgsave时已经有进程在执行了,就会标记rdb_bgsave_scheduled=1,然后放到serverCron
     * 中执行 
     */
    if (!hasActiveChildProcess() &&
        server.rdb_bgsave_scheduled &&
        (server.unixtime-server.lastbgsave_try > CONFIG_BGSAVE_RETRY_DELAY ||
         server.lastbgsave_status == C_OK))
    {
        rdbSaveInfo rsi, *rsiptr;
        rsiptr = rdbPopulateSaveInfo(&rsi);
        if (rdbSaveBackground(server.rdb_filename,rsiptr) == C_OK)
            server.rdb_bgsave_scheduled = 0;
    }
    /*
    . 略去其他代码
    */
}

rdb文件格式

rdb的具体文件格式相对比较简单,具体如下:

----------------------------#
52 45 44 49 53              # 魔术 "REDIS"
30 30 30 33                 # ASCII码rdb的版本号 "0003" = 3
----------------------------
FA                          # 辅助字段
$string-encoded-key         # 可能包含多个元信息 
$string-encoded-value       # 比如redis版本号,创建时间,内存使用量……...
----------------------------
FE 00                       # redis db号. db number = 00
FB                          # 标识db的大小
$length-encoded-int         # hash表的大小(int)
$length-encoded-int         # expire hash表的大小(int)
----------------------------# 从这里开始就是具体的k-v数据 
FD $unsigned-int            # 数据还有多少秒过期(4byte unsigned int)
$value-type                 # 标识value数据类型(1 byte)
$string-encoded-key         # key,redis字符串类型(sds)
$encoded-value              # value, 类型取决于 $value-type
----------------------------
FC $unsigned long           # 数据还有多少毫秒过期(8byte unsigned long)
$value-type                 # 标识value数据类型(1 byte)
$string-encoded-key         # key,redis字符串类型(sds) 
$encoded-value              # value, 类型取决于 $value-type
----------------------------
$value-type                 # redis数据key-value,没有过期时间
$string-encoded-key
$encoded-value
----------------------------
FE $length-encoding         # FE标识前一个db的数据结束,然后再加上数据的长度 
----------------------------
...                         # 其他redis db中的k-v数据, ...
FF                          # FF rdb文件的结束标识  
8-byte-checksum             ## 最后是8byte的CRC64校验和 

总结

rdb在一定程度上保证了redis实例在异常宕机时数据不丢,当因为是定期生成的rdb快照,在生成快照后产生的变动无法追加到rdb文件中,所以rdb无法彻底保证数据不丢,为此redis又提供了另外一种数据持久化机制aof,我们将在下篇文章中看到。另外,在执行bgsave的时候高度依赖于操作系统的fork()机制,这也是会带来很大的性能开销的,详见Linux fork隐藏的开销-过时的fork(正传)

参考资料

  1. Redis RDB 持久化详解
  2. https://rdb.fnordig.de/file_format.html
  3. Redis Persistence
  4. Linux fork隐藏的开销-过时的fork(正传)

本文是Redis源码剖析系列博文,同时也有与之对应的Redis中文注释版,有想深入学习Redis的同学,欢迎star和关注。
Redis中文注解版仓库:https://github.com/xindoo/Redis
Redis源码剖析专栏:https://zxs.io/s/1h
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