Redis设计与实现之RDB

一、RDB

1、保存

2、 SAVE 、BGSAVE 、AOF 写入和 BGREWRITEAOF

SAVE

BGSAVE

3、载入

4、RDB 文件结构

REDIS

DB-DATA

SELECT-DB

KEY-VALUE-PAIRS

EOF

CHECK-SUM

二、小结

一、RDB

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:

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。

1、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()

2、 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。

3、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。

Note: 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。

4、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。

Note: 下文提到的编码在《对象处理机制》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，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，后面跟着任意多个节点值。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，MEMBER-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member
2. 读入字符串形式保存的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。

二、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。