Memcached深入剖析

What is Memcached ?

Free & open source, high-performance, distributed memory object caching system

一个开源，免费的高性能，分布式内存缓存系统。

在我们的应用程序中，一般会将数据库的一些经常需要查询用到的数据缓存至Memcached，以提高动态Web应用的响应速度。如下图所示：

快速体验Memcached

由于Memcached使用到了基于libevent的事件处理机制，因此安装之前需要确保已经安装libevent库。由于我用的是最新稳定版1.4.22（下载网址：http://memcached.org/），对libevent的版本还有要求，如果版本过低，还不能启动Memcached，可以到http://libevent.org/ 下载较新的libevent版本使用。

【关于libevent的简要说明：libevent就是一个程序库，他将Linux的epoll、BSD系统的kqueue等事件处理机制封装成统一的接口，即使对服务器的连接增加，也能发挥0(1)的性能。Memcached使用这个库，可以在Linux平台上发挥其高性能。】

过程如下：

tar -xf libevent-2.0.20-stable.tar.gz
cd libevent-2.0.20-stable
./configure --prefix=/usr/local/libevent
make
make install
tar -xf memcached-1.4.22.tar.gz
cd memcached-1.4.22
./configure --prefix=/usr/local/memached --with-libevent=/usr/local/libevent/
make && make install

启动Memcached

[root@www bin]# ./memcached -p 11211 -m 64 -f 1.5 -u nobody -vvv -d
slab class   1: chunk size        80 perslab   13107
slab class   2: chunk size       120 perslab    8738
slab class   3: chunk size       184 perslab    5698
slab class   4: chunk size       280 perslab    3744
slab class   5: chunk size       424 perslab    2473
slab class   6: chunk size       640 perslab    1638
slab class   7: chunk size       960 perslab    1092
slab class   8: chunk size      1440 perslab     728
slab class   9: chunk size      2160 perslab     485
slab class  10: chunk size      3240 perslab     323
slab class  11: chunk size      4864 perslab     215
slab class  12: chunk size      7296 perslab     143
slab class  13: chunk size     10944 perslab      95
slab class  14: chunk size     16416 perslab      63
slab class  15: chunk size     24624 perslab      42
slab class  16: chunk size     36936 perslab      28
slab class  17: chunk size     55408 perslab      18
slab class  18: chunk size     83112 perslab      12
slab class  19: chunk size    124672 perslab       8
slab class  20: chunk size    187008 perslab       5
slab class  21: chunk size    280512 perslab       3
slab class  22: chunk size    420768 perslab       2
slab class  23: chunk size    631152 perslab       1
slab class  24: chunk size   1048576 perslab       1

可以利用./memcached -h的方式来了解一些选项的作用：

-p <num>      TCP port number to listen on (default: 11211)  指定端口

-l <addr>     interface to listen on (default: INADDR_ANY, all addresses)

监听地址，想一想，如果我们的机器上有多个网卡我们监听在哪个网卡上呢？

-d            run as a daemon  表示以一个后台服务的方式运行

-u <username> assume identity of <username> (only when run as root)  

以哪个用户的身份运行

-m <num>      max memory to use for items in megabytes (default: 64 MB) 

以M为单位指定最大的内存空间

-f <factor>   chunk size growth factor (default: 1.25)  

指定增长因子

-n <bytes>    minimum space allocated for key+value+flags (default: 48)  

最小存储单位。实际上，这里指定的是最小的slab chunk大小

在上面启动过程中，我们使用了-vvv的方式输出了启动过程的详细信息，那么slab class , chunk这些是什么呢？增长因子又是干什么的？

端口验证：

[root@www ~]# netstat -tnlp | grep 11211
tcp        0      0 0.0.0.0:11211         0.0.0.0:*    LISTEN      3292/memcached      
tcp        0      0 :::11211              :::*         LISTEN      3292/memcached

Memcached启动后，我们怎么连接进行操作呢？

要知道Memcached是基于Client/Server架构的，上面的是启动Server端，表示Memcached已经有64M内存空间来进行缓存数据管理。至于设置哪些缓存数据，数据有效期是多少等这些都是客户端的事情。很多语言都实现了Memcached客户端，比如Java/PHP等。需要注意的是，Memcached的一个重要特征--协议简单。比如，我们就可以使用telnet来操作Memcached:

[root@www ~]# telnet 192.168.204.88 11211
Trying 192.168.204.88...
Connected to www.zfz2.com (192.168.204.88).
Escape character is ‘^]‘.
stats

stats命令可以获取到Memcached运行时相关信息。

一些常用命令：

add命令  添加新键

add keyname flag timeout datasize

add name 0 30 5
hello
STORED

get命令  取得键值

get keyname

get name
VALUE name 0 5
hello
END

set 无条件设置一个键

说白了，就是有键则覆盖，无键则添加。

set keyname flag timeout datasize

replace 替换已经存在的KEY

replace keyname flag timeout datasize

append keyname flag timeout append_datasize

prepend keyname flag timeout prepend_datasize

add name 0 60 5
hello
STORED
get name
VALUE name 0 5
hello
END
append name 0 60 2
aa
STORED
get name
VALUE name 0 7
helloaa
END

incr keyname increments  对键值增长

decr keyname decrements  对键值减少

add score 0 120 1
1
STORED
incr score 2
3
get score
VALUE score 0 1
3

delete keyname  删除指定键

flush_all       清理所有键

stats           状态信息

quit            表示退出

version         查看版本

Memcached是一个缓存服务器，并且它认为自己缓存的数据并不是关键性数据，也就是如果Memcached重启，缓存数据会丢失，需要重新建立。Memcached对高可用的支持不是很好，但是对分布式提供了很好的支持。下面我们来分析下Memcached的内存存储机制：

[root@www bin]# ./memcached -p 11211 -m 64 -f 1.5 -u nobody -vvv -d
slab class   1: chunk size        80 perslab   13107
slab class   2: chunk size       120 perslab    8738
slab class   3: chunk size       184 perslab    5698
slab class   4: chunk size       280 perslab    3744
slab class   5: chunk size       424 perslab    2473
slab class   6: chunk size       640 perslab    1638
slab class   7: chunk size       960 perslab    1092
slab class   8: chunk size      1440 perslab     728
slab class   9: chunk size      2160 perslab     485
slab class  10: chunk size      3240 perslab     323
slab class  11: chunk size      4864 perslab     215
slab class  12: chunk size      7296 perslab     143
slab class  13: chunk size     10944 perslab      95
slab class  14: chunk size     16416 perslab      63
slab class  15: chunk size     24624 perslab      42
slab class  16: chunk size     36936 perslab      28
slab class  17: chunk size     55408 perslab      18
slab class  18: chunk size     83112 perslab      12
slab class  19: chunk size    124672 perslab       8
slab class  20: chunk size    187008 perslab       5
slab class  21: chunk size    280512 perslab       3
slab class  22: chunk size    420768 perslab       2
slab class  23: chunk size    631152 perslab       1
slab class  24: chunk size   1048576 perslab       1

Memcached的内存存储机制采用了Slab Allocator的方式，按照预先规定的大小，将分配的内存分割成特定长度的块，以减少内存碎片问题。Slab Allocator可以重复使用以分配的内存。如下图所示：

有多个Slab Class类别，每一个Slab Class里面有多个相同大小的Chunk，而Chunk就是Memcached存储数据的最小单元。当Memcached接受到数据需要缓存时，会选择最适合数据大小的Slab，然后从Slab中选择空闲的Chunk进行存储。当然这种方式是无法避免内存浪费的。

在启动Memcached时，我们指定了-f选项，其实是在指定Slab中Chunk大小的增长因子，这是Memcached为我们提供的一个可以进行调优的选项。我们可以根据客户端缓存数据的大小，做一个预估，通过增长因子来调整Slab的差别，以获得最恰当的设置。

在Memcached中缓存数据的时候，我们可以指定数据的失效期，可以指定到秒。那么如果时间到了，Memcached会怎么做呢？

Memcached并不会释放已经分配的内存，超时后，客户端就无法在看到该记录了。Memcached的删除机制思想如下：

LAZY机制

Memcached内部不会去监控记录是否过期，而是在get的时候去判断一下时间戳，这样就知道是不是过期了。这样的话，Memcached因为LAZY的机制不会在这个方面去占用CPU。

LRU算法

最近最少使用原理，当Memcached空间不足时，要清理，怎么清理呢？就是清理那些最近未被使用的记录的空间，将这些空间重新分配给新的记录。

当我们使用多台Memcached来缓存数据时，就利用到了Memcached的分布式。Memcached的分布式的最大特点是不相互通信。在分布式的情况下，当我们要保存一个键时，可以简单的根据键计算一个值，从而决定存储至哪个Memcached中，当要get这个键的时候，利用同样的方式到对应的Memcached服务器中去取。比如，我们有10台Memcached（编号0-9），现在要保存一个key，通过对key进行计算，比如取得它的HASH值，然后对10取余，假设得到8，我们就将这个KEY存储至编号为8的服务器中。这样的话，虽然算法上简单，存取上实现了分布式，但是有一个明显的缺点，就是如果增加或者减少了Memcached的节点个数，我们的大部分缓存就失效了，需要重新建立了。【原因在于取余的结果发生了巨变】那么有没有一种方式，当我们增加或者减少Memcached节点个数时，带来的影响最小呢？

关于一致性HASH算法（Consistent Hashing）

基本原理说明：

有一个HASH环，分布着2的32次方个点，然后求出各个Memcached服务器的HASH值，将其置于环上的各个点上。用相同的方式计算需要保存的数据的键的HASH值，并映射到环上的位置，从映射处开始顺时针开始查找最近的Memcached，找到后就保存至这个服务器。如果要取得数据，也采用相同的方式定位服务器。

这种算法就是一致性HASH算法，通过这样可以在添加、删除服务器时，最大限度的抑制键的重新分布。