Redis 7.0 Multi Part AOF的设计和实现

Redis 作为一种非常流行的内存数据库，通过将数据保存在内存中，Redis 得以拥有极高的读写性能。但是一旦进程退出，Redis
的数据就会全部丢失。

为了解决这个问题，Redis 提供了 RDB 和 AOF
两种持久化方案，将内存中的数据保存到磁盘中，避免数据丢失。本文将重点讨论AOF持久化方案，以及其存在的一些问题，并探讨在Redis 7.0 (已发布RC1)
中Multi Part AOF(下文简称为MP-AOF，本特性由阿里云数据库Tair团队贡献)设计和实现细节。

一 、AOF

AOF( append only file )持久化以独立日志文件的方式记录每条写命令，并在 Redis 启动时回放 AOF
文件中的命令以达到恢复数据的目的。

由于AOF会以追加的方式记录每一条redis的写命令，因此随着Redis处理的写命令增多，AOF文件也会变得越来越大，命令回放的时间也会增多，为了解决这个问题，Redis引入了AOF
rewrite机制(下文称之为AOFRW)。AOFRW会移除AOF中冗余的写命令，以等效的方式重写、生成一个新的AOF文件，来达到减少AOF文件大小的目的。

二、 AOFRW

图1展示的是AOFRW的实现原理。当AOFRW被触发执行时，Redis首先会fork一个子进程进行后台重写操作，该操作会将执行fork那一刻Redis的数据快照全部重写到一个名为temp-rewriteaof-bg-pid.aof的临时AOF文件中。

由于重写操作为子进程后台执行，主进程在AOF重写期间依然可以正常响应用户命令。因此，为了让子进程最终也能获取重写期间主进程产生的增量变化，主进程除了会将执行的写命令写入aof_buf，还会写一份到aof_rewrite_buf中进行缓存。在子进程重写的后期阶段，主进程会将aof_rewrite_buf中累积的数据使用pipe发送给子进程，子进程会将这些数据追加到临时AOF文件中(详细原理可参考[1])。

当主进程承接了较大的写入流量时，aof_rewrite_buf中可能会堆积非常多的数据，导致在重写期间子进程无法将aof_rewrite_buf中的数据全部消费完。此时，aof_rewrite_buf剩余的数据将在重写结束时由主进程进行处理。

当子进程完成重写操作并退出后，主进程会在backgroundRewriteDoneHandler
中处理后续的事情。首先，将重写期间aof_rewrite_buf中未消费完的数据追加到临时AOF文件中。其次，当一切准备就绪时，Redis会使用rename
操作将临时AOF文件原子的重命名为server.aof_filename，此时原来的AOF文件会被覆盖。至此，整个AOFRW流程结束。

图1 AOFRW实现原理

三、 AOFRW存在的问题

1. 内存开销

由图1可以看到，在AOFRW期间，主进程会将fork之后的数据变化写进aof_rewrite_buf中，aof_rewrite_buf和aof_buf中的内容绝大部分都是重复的，因此这将带来额外的内存冗余开销。

在Redis
INFO中的aof_rewrite_buffer_length字段可以看到当前时刻aof_rewrite_buf占用的内存大小。如下面显示的，在高写入流量下aof_rewrite_buffer_length几乎和aof_buffer_length占用了同样大的内存空间，几乎浪费了一倍的内存。

aof_pending_rewrite:0

aof_buffer_length:35500

aof_rewrite_buffer_length:34000

aof_pending_bio_fsync:0

当aof_rewrite_buf占用的内存大小超过一定阈值时，我们将在Redis日志中看到如下信息。可以看到，aof_rewrite_buf占用了100MB的内存空间且主进程和子进程之间传输了2135MB的数据(子进程在通过pipe读取这些数据时也会有内部读buffer的内存开销)。

对于内存型数据库Redis而言，这是一笔不小的开销。

3351:M 25 Jan 2022 09:55:39.655 * Background append only file rewriting started by pid 6817

3351:M 25 Jan 2022 09:57:51.864 * AOF rewrite child asks to stop sending diffs.

6817:C 25 Jan 2022 09:57:51.864 * Parent agreed to stop sending diffs. Finalizing AOF...

6817:C 25 Jan 2022 09:57:51.864 * Concatenating 2135.60 MB of AOF diff received from parent.

3351:M 25 Jan 2022 09:57:56.545 * Background AOF buffer size: 100 MB

AOFRW带来的内存开销有可能导致Redis内存突然达到maxmemory限制，从而影响正常命令的写入，甚至会触发操作系统限制被OOM
Killer杀死，导致Redis不可服务。

2. CPU开销

CPU的开销主要有三个地方，分别解释如下：

在AOFRW期间，主进程需要花费CPU时间向aof_rewrite_buf写数据，并使用eventloop事件循环向子进程发送aof_rewrite_buf中的数据：

/* Append data to the AOF rewrite buffer, allocating new blocks if needed. */

void aofRewriteBufferAppend(unsigned char *s, unsigned long len) {

// 此处省略其他细节...

/* Install a file event to send data to the rewrite child if there is

* not one already. */

if (!server.aof_stop_sending_diff