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一、AOF持久化简介

AOF持久化是通过Redis服务器所执行的写命令来记录数据库状态的。如下图所示：

举个例子：

对于以上三个命令来说，服务器将产生包含以下内容的AOF文件：

*2\r\n$6\r\nSELECT\r\n$1\r\n0\r\n
*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nmsg\r\n$5\r\nhello\r\n
*5\r\n$4\r\nSADD\r\n$6\r\nfruits\r\n$5\r\napple\r\n$6\r\nbanana\r\n$6\r\ncherry\r\n
*5\r\n$5\r\nRPUSH\r\n$7\r\nnumbers\r\n$3\r\n128\r\n$3\r\n256\r\n$3\r\n512\r\n

在这个AOF文件里面，除了用于指定数据库SELECT命令是服务器自动添加的之外，其他都是我们之前通过客户端发送的命令。

二、AOF持久化的实现

AOF持久化功能的实现可以分为命令追加（append）、文件写入、文件同步（sync）三个步骤。

2.1 命令追加

当AOF持久化功能处理打开状态时，服务器在执行完一个写命令之后，会以协议格式将被执行的写命令追加到服务器状态的aof_buf缓冲区的末尾：

struct redisServer {
    // ...
    // AOF缓冲区
    sds aof_buf;
    // ...
};

2.2 AOF文件的写入与同步

Redis服务器进程就是一个事件循环（loop），这个循环中的文件事件负责接收客户端的命令请求，以及向客户端发送命令回复，而时间事件则负责执行像serverCron函数这样需要定时运行的函数。

因为服务器在处理文件事件时可能会执行写命令，使得一些内容被追加到aof_buf缓冲区里面，所以在服务器每次结束一个循环之前，它都会调用flushAppendOnlyFile函数，考虑是否需要将aof_buf缓冲区中的内容写入和保存到AOF文件里面，这个过程可以用以下伪代码表示：

def eventLoop():
    while True:
        # 处理文件事件，接收命令请求以及发送命令回复
        # 处理命令请求时可能会有新内容被追加到aof_buf缓冲区中
        processFileEvents()
        
        # 处理时间事件
        processTimeEvents()
        
        # 考虑是否将aof_buf中的内容写入和保存到AOF文件里面
        flushAppendOnlyFile()

flushAppendOnlyFile函数的行为由服务器配置的appendfsync选项的值来决定，各个不同值产生的行为如下表所示：

appendfsync选项的值	flushAppendOnlyFile函数的行为
always	将aof_buf缓冲区中的所有内容写入并同步到AOF文件
everysec	将aof_buf缓冲区中的所有内容写入到AOF文件,如果上次同步AOF文件的时间距离在超过一秒钟，那么再次对AOF文件进行同步，并且这个同步操作是由一个线程专门负责执行的。
no	将aof_buf缓冲区中的所有内容写入到AOF文件，但并不对AOF文件进行同步，何时同步由操作系统来决定

如果用户没有主动为appendfsync选项设置值，那么appendfsync选项的默认值为everysec。

三、AOF文件的载入与数据还原

因为AOF文件里面包含了重建数据库状态所需的所有写命令，所以服务器只要读入并重新执行一遍AOF文件里面保存的写命令，就可以还原服务器关闭之前的数据库状态。 还原流程如下：

伪客户端就是一个不带网络连接的客户端。

三、AOF重写

因为AOF持久化是通过保存被执行的写命令来记录数据库状态的，所以随着服务器运行时间的流逝，AOF文件中的内容会越来越多，文件的体积也会越来越大，如果不加以控制的话，体积过大的AOF文件很可能对Redis服务器、甚至整个宿主计算机造成影响并且AOF文件的体积越大，使用AOF文件来进行还原所需的时间就越多。

为了解决AOF文件体积膨胀的问题，Redis提供了AOF文件重写（rewrite）功能。通过该功能，Redis服务器可以创建一个新的AOF文件来替代现有的AOF文件，新旧两个AOF文件所保存数据库状态相同，但新AOF文件不会包含任何浪费空间的冗余命令，所以新AOF文件的体积通常会比旧AOF文件的体积要小得多。

3.1 AOF文件重写的实现

虽然Redis将生成新AOF文件替换旧AOF文件的功能命令为“AOF文件重写”,但实际上，AOF文件重写并不需要对现有的AOF文件进行任何读取、分析或者写入操作，这个功能是通过读取服务器当前的数据库状态来实现的。

现考虑这样一个情况，如果服务器对list键执行了以下命令：

redis> RPUSH list "A"  "B"  //["A","B"]
(integer) 2
redis> RPUSH list "C"  //["A","B","C"]
(integer) 3
redis> RPUSH list "D" "E"  //["A","B","C","D","E"]
(integer) 5
redis> LPOP list //["B","C","D","E"]
"A"

那么服务器为了保存当前list键的状态，必须在AOF文件中写入四条命令。

如果服务器想要尽量少的命令来记录list键的状态，那么最简单高效的办法不是去读取和分析现有AOF文件的内容，而是直接从数据库中读取键list的值，然后再用Rpush命令来代替AOF文件中的四条命令，就可以将保存list键所需的命令从四条减少为一条了。

除了上面列举的列表键和集合键之外，其他所有类型的键都可以用同样的方法去减少AOF文件中的命令数量。这就是AOF重写功能的实现原理。

整个重写过程可以用以下伪代码表示:

def aof_rewrite(new_aof_file_name):
    # 创建新AOF文件
    f = create_file(new_aof_file_name)
    # 遍历数据库
    for db in redisServer.db:
        # 忽略空数据库
        if db.is_empty(): continue
        # 写入SELECT命令，指定数据库号码
        f.write_command("SELECT" + db.id)
        # 遍历数据库中的所有键
        for key in db:
            # 忽略已过期的键
            if key.is_expired(): continue
            # 根据键的类型对键进行重写
            if key.type == String:
                rewrite_string(key)
            elif key.type == List:
                rewrite_list(key)
            elif key.type == Hash:
                rewrite_hash(key)
            elif key.type == Set:
                rewrite_set(key)
            elif key.type == SortedSet:
                rewrite_sorted_set(key)
            # 如果键带有过期时间，那么过期时间也要被重写
            if key.have_expire_time():
                rewrite_expire_time(key)
    # 写入完毕，关闭文件
    f.close()

def rewrite_string(key):
    # 使用GET命令获取字符串键的值
    value = GET(key)
    # 使用SET命令重写字符串键
    f.write_command(SET, key, value)

def rewrite_list(key)
    #使用LRANGE命令获取列表键包含的所有元素
    item1,intem2,...,itemN = LRANGE(key, 0, -1)
    # 使用RPUSH命令重写列表键
    f.write_command(RPUSH, key, item1, item2, ...., itemN）
# 其他类型也类似就不一一列举了。

因为aof_rewrite函数生成的新AOF文件只包含还原当前数据库状态所必须的命令，所以新AOF文件不会浪费任何硬盘空间。

3.2 AOF后台重写

由于aof_rewrite函数会进行大量的写入操作，所以调用这个函数的线程将被长时间阻塞。但Redis不希望AOF重写造成服务器无法处理请求，所以Redis决定将AOF重写程序放到子进程里执行，这样做可以同时达到两个目的：

子进程进行AOF重写期间，服务器进程（父进程）可以继续处理命令请求。

子进程带有服务器进程的数据副本，使用子进程而不是线程，可以在避免使用锁的情况下，保证数据的安全性。

不过，使用子进程也有一个问题需要解决，因为子进程在进行AOF重写期间，服务器进程还在处理命令请求，而新的命令可能会对现有的数据库状态进行修改，从而使得服务器当前的数据库状态和重写后的AOF文件所保存的数据库状态不一致。

为了解决这种数据不一致问题，Redis服务器设置了一个AOF重写缓冲区，这个缓冲区在服务器创建子进程之后开始使用，当Redis服务器执行完一个写命令之后，它会同时将这一个写命令发送给AOF缓冲区和AOF重写缓冲区。流程如下所示：

通过上述流程可以保证：

AOF缓冲区的内容会定期被写入和同步到AOF文件，对现有AOF文件的处理工作会如常进行。

从创建子进程开始，服务器执行的所有写命令都会被记录到AOF重写缓冲区里面。

当子进程完成AOF重写工作之后，它会向父进程发送一个信号，父进程在接到该信号之后，会调用一个信号处理函数，并执行以下工作：

将AOF重写缓冲区中的所有内容写入到新AOF文件中，这时新AOF文件所保存的数据库状态将和服务器当前的数据库状态一致。

对新的AOF文件进行改名，原子地（atomic）覆盖现有的AOF文件，完成新旧两个AOF文件的替换。

这个信号处理函数执行完毕之后，父进程就可以继续像往常一样接受命令请求了。

在整个AOF后台重写进程中，只有信号处理函数执行时会对服务进程（父进程）造成阻塞，这将AOF重写对服务器性能造成的影响降到了最低。

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