第六章 memcached剖析

注：本篇博客参考于两本书。

• 《memcached全面剖析》，该书籍市面上应该没有，我传到了百度云盘，链接如下：http://pan.baidu.com/s/1qX00Lti
• 《大型网站技术架构：核心原理与案例分析》

前提：

• 本文是基于memcached1.4版本的，之前的版本与该版本在一些地方是不一样的（eg.《memcached全面剖析》的memcached1.2的内存管理方式就与1.4不同）
• 在看本文之前，最好先看一下memcached在实际开发中怎么进行操作的，链接《第八章 企业项目开发--分布式缓存memcached》

1、memcached特征

• 协议简单(文本协议、二进制协议)
• 基于libevent的事件处理，libevent封装了Linux的epoll模型的时间处理功能。
• slab存储模型
• 集群中服务器间互不通信(在大集群的情况下，其性能远超其他同步更新缓存的缓存器，当然小集群下，memcached的性能也十分优秀)

2、memcached访问模型

说明：

Xmemcached的具体使用代码查看"Java企业项目开发实践"系列博客的《第八章 企业项目开发--分布式缓存memcached》，下面的解释会依据该代码进行。

在上图中，memcached客户端假设使用XMemcached

• 服务器列表：在根pom.xml文件中进行了配置
• 路由算法有两种：（可以在程序中指定）
  • 一致性hash算法（推荐）
  • 简单求余法
• 通信模块：
  • 通信协议：TCP协议
  • 序列化协议：二进制协议（推荐）、文本协议
• Memcached API（缓存的增删改查）：在程序中编写

整个流程：

应用程序（AdminService）调用Memcached API（假设为add操作），向memcached服务器添加缓存，这时候，程序会首先根据配置的路由算法（假设是一致性hash算法）在服务器列表中选出一台服务器（假设是node1），之后该API通过序列化协议序列化对象（当然，这个是可无的，eg.value是一个String），并通过TCP协议将将要存储的key-value对存入相应的服务器。在get时，只要采用的是与add时相同的hash算法，就会选中add时的那一台服务器。

看完这一段，流程明白了。但是有几点疑问：

• 两种路由算法是怎样实现的？为什么使用一致性hash算法
• 缓存到达服务器的时候究竟怎么存储？（slab内存模型）
• 当缓存超过一定的容量后，缓存的自动删除是采用什么策略，怎样删除的？（LRU）
• 两种序列化协议有什么优缺点？

3、hash算法

3.1、简单求余法

原理步骤：求得key的整数hash值（对于Java对象而言，直接使用其hashCode()方法就好），再除以服务器台数，获取余数，根据该余数选择服务器。

注意：如果选择的服务器无法连接时，会进行rehash，即：将连接次数添加到键中，重新计算hash值后，再重新连接。当然可以禁止rehash。

优点：

• 简单
• hash分散性好（因为hashCode()的值具有随机性）

缺点：

• 添加或删除服务器的时候，缓存的获取就会出问题了（因为服务器台数变了，求余的时候分母变了，余数也就可能变了），假设在99台memcached服务器中又新添加而一台，则缓存的不命中率是99%，即n/(n+1)，n表示原有的服务器。

注意：

• 在XMemcached中仍保留了该算法
• 适用于不需要考虑集群伸缩性的时候（即机器总数不变）

3.2、一致性hash算法

对于绝大部分系统，集群的伸缩性是五个非功能需求中比较重要的一个，也就是说必须克服"简单求余法"的缺点。

• 原理：先构造一个长度为0~2³²的整数环（使用二叉树构造），根据节点（memcached服务器）名称的hash值将缓存服务器节点放置在这个hash环上，然后根据需要缓存的数据的key来计算其hash值，然后在hash环上顺时针查找距离这个key的hash值最近的缓存服务器节点，完成key到服务器的hash映射查找。
  • 如果超过2³²还找不到，则存在第一台memcached上（依旧是顺时针）
• 存在的问题：当服务器数量比较少的情况下，有可能造成负载不均衡的情况，为了防止这种情况的发生，使用将物理服务器先虚拟化成多台虚拟服务器，然后将这些虚拟服务器的hash值放在环上，当客户端路由到某台虚拟服务器上时，找到该虚拟服务器所对应的物理服务器即可。
  • 一般而言，一台物理服务器虚拟化为150台虚拟服务器最合适，太少会造成负载不均，太多会影响性能
• Memcached采用这样的算法，在我们新加入服务器或集群中的某台服务器宕机时，都不会有太大的影响，只会影响一小段（见下图），确保了集群的可用性与伸缩性

注意：

• hash环是一个二叉树，最后边叶子与最左边相连成环
• 整个缓存的查找过程就是找一个刚刚大于等于查找数的最小值

疑问：（这一点没查到资料）

• 服务器的hash算法是怎样的
• 计算缓存key的hash算法是否要与服务器的一致，还能不能使用原来的hashCode()

思路：hash算法实际上就是"先将字符串转化为整数，然后再将该整数放到相应的服务器上或环上"，对于key不用讲，我们可以用crc32将字符串的key转化为整数，之后放在0~2³²的环上的一点，对于服务器我们可以采用将"ip:port"这个字符串使用crc32转化为整数，之后放在环上（当然这里我们需要将一个实例"ip:port"虚拟化成一堆虚拟节点，每台虚拟节点可以使用"ip:port-i"作为节点名称，其中i是>0的整数，将每台虚拟节点的名称采用crc32算法算出整数放到环上）。

4、slab内存模型

4.1、为什么使用slab内存模型？

　　在最一开始的内存分配与回收是通过malloc和free来处理的，该方式会产生内存碎片，加重内存管理器的负担，严重缓存操作影响效率。

slab模型的出现就是为了：

• 提高缓存操作效率
• 完全的解决内存碎片问题。

注意：

• 第一个目的：已经实现了（因为直接定位合适的chunk会很快）
• 第二个目的：采用slab机制依旧会产生内存碎片，或者说成是内存浪费

4.2、slab模型原理

说明：该图摘自一篇博客（图中有标记，但是看不清），但是是很久以前摘的了，忘记了。以后找到了，我会标明出处的。

memcached的内存分配就是下面这一句话：采用分组管理、预分配方式。

4.2.1、分组管理

• 分组方式：Memcached将内存空间分为一组slab，每个slab的大小固定为1M，每个slab里又包含一组chunk，同一个slab里的每个chunk大小相同。根据这些slab中的chunk的大小，将这些slab编号slab class（也就是上图中的Classes i）。
• 存储原理：当来一个要存储的key-value对时，我们查看这个数据的大小，选择最适合的slab class中的空闲chunk放置该对象。
  • 最合适的chunk：即该chunk的大小刚刚大于等于所存储数据的大小，而比该chunk小一级的大小刚刚比所要存储的数据小。

以上这种方式会造成内存大量浪费（我认为这也是内存碎片）。

• 减少内存浪费的方式：预估自己的缓存数据的大小，然后在启动Memcached时合理的指定参数-f（增长因子）和-n（chunk最小尺寸）来划分内存大小，根据公式chunk size = 80*f*(n-1)将内存分配为若干个slab class。

疑问：上边这个若干到底是多少？

我们可以根据f,n,以及一个slab最大为1M来确定。（例子，我不举了，自己想想）

4.2.2、预分配

　　在启动Memcached时通过-m参数为Memcached分配可用内存（假设-m 1024，即分配了1G内存），但是启动的时候不会把这些内存一次全部分配出去，而是默认先分配若干个slab class（数量取决于-f与-n参数），当其中的一个slab class被用完之后，Memcached就会再次申请1M空间，产生一个该slab class。这一块儿结合缓存删除机制中的LRU算法来看。（这一块如果有误，请大神帮忙指出来）

5、缓存删除机制

• memcached不会释放已分配的内存，记录超时后，其存储空间即可重复使用
• memcached内部不会监视缓存是否过期（即memcached不会在过期监视上耗费CPU时间），在get时查看缓存的时间戳，检查缓存是否过期
• memcached会优先使用已超时的缓存的空间，但是当所有空间都没有超时，所有内存都已经分配完了，就删除最近最少使用（LRU）的缓存，将其空间分配给新缓存（注意，假设防止一个100k的数据，而最合适的chunk是112k，假设最合适的chunk全部用完了，这时候就取剩下的内存分配112k chunk的slab，若是剩下的内存页分配完了，不会使用刚刚大于112k的144k chunk，而是会采用LRU算法删除最近最少使用的元素，其实这样的话，就会有一个可能，就是原本112k中的数据还未过期，就有可能被踢出去了，这就是"老数据被踢现象"）

注意：第三条与内存分配部分的预分配结合来看。

LRU算法原理：

当某个单元被请求时，维护一个计数器，通过计数器来判断最近最少被使用的元素被踢出去。

6、两种序列化协议

• 文本协议：
  • XML、JSON
  • key的长度为256字节
• 二进制协议：相较于文本协议
  • jdk序列化机制、protobuf
  • 不需要文本协议的解析处理，速度更快
  • 具有更长的key，理论上最大可使用65536字节长度的key
  • 出现在1.4，推荐使用

注意：对于以上两种协议，自己选择吧。

• 二进制协议+JDK的序列化机制，那么由于JDK自己的序列化机制低效，所以在速度上未必会比使用了fastjson的文本协议更快
• 二进制协议+protobuf，速度很快，但是使用起来不太方便
• 文本协议+fastjson

7、部分API

• add：仅当存储空间中不存在相同key的数据时才保存
• replace：替换。即仅当存储空间中存在相同的数据时才保存
• set：add+replace。即无论何时都保存
• delete(key, '阻塞时间(秒)')
• 增1、减1操作，做计数器
• get_multi(key1, key2)：一次性非同步的同时（即并发的）获取多个键，比循环调用getKIA数十倍

注意点：

• 对于memcached的监视：可以采用"nagios"