分布式缓存系统 Memcached CAS协议
Memcached在1.2.4版本后新增了CAS(Check and Set)协议,主要用于并发控制:memcached中同一个item同时被多个线程(多个客户端)更改的并发问题。CAS协议最本质的东西——版本号,即将每个item都关联一个全局唯一的编号,从而利用该唯一的编号来判断item数据在某个线程操作期间有无被其他的线程所更改(每次更改版本号都会改变,因此可作为判断的标识)。
如果不采用CAS,则有如下的情景:
第一步,A取出数据对象X;
第二步,B取出数据对象X;
第三步,B修改数据对象X,并将其放入缓存;
第四步,A修改数据对象X,并将其放入缓存。
我们可以发现,第四步中会产生数据写入冲突。
如果采用CAS协议,则是如下的情景。
第一步,A取出数据对象X,并获取到CAS-ID1;
第二步,B取出数据对象X,并获取到CAS-ID2;
第三步,B修改数据对象X,在写入缓存前,检查CAS-ID与缓存空间中该数据的CAS-ID是否一致。结果是“一致”,就将修改后的带有CAS-ID2的X写入到缓存。
第四步,A修改数据对象Y,在写入缓存前,检查CAS-ID与缓存空间中该数据的CAS-ID是否一致。结果是“不一致”,则拒绝写入,返回存储失败。
可以通过重试,或者其他业务逻辑解决第四步设置失败的问题。
具体的,在Memcached中,每个key关联都一个64-bit长度的long型惟一数值,表示该key对应value的版本号。这个数值由Memcached server产生,从1开始,且同一Memcached server中不会重复。在两种情况下这个版本数值会加1:新增一个key-value对 和 对某已有key对应的value值更新成功。删除item,而版本值不会减小。
可由如下例子看出:
MemcachedClient client = new MemcachedClient();
client.set("fKey", "fValue");
//第一次set, 在Memcached server中会维护fKey对应的value的版本号,假设是548;
client.set("fKey", "sValue");
//再次set,则这个fKey对应的value的版本号变为549;
CASValue casValue = client.gets("fKey");
//这样就可以得到对应key的cas版本号和实际value(各个Memcached client都有类似的对象表示,名字可能不一样,但效果类同),如 casValue.getValue = "sValue",casValue.getCas=549;
注:get命令返回给定key的value值。 而gets则会返回给定key的value和cas版本号值。如下图:
其中,先set 一次name,再gets name的返回值为:“VALUE name 0 3 2", 然后再进行一次set name, 这时gets name的返回值为”VALUE name 0 3 3“,最后一个字段由2变为了3,即版本号因为set更改了value值而被增加了一,而get name的返回值为”VALUE name 0 3“,与gets的返回值相比,少最后的版本号的字段。
CAS协议在并发控制中的具体应用:
一个memcached server在有多个额客户端时,分析下多个client并发set同一个key的场景。如clientA想把当前key的value set为"x",且操作成功;clientB却把当前key的value值由"x"覆盖set为"y",这时clientA再根据key去取value时得到"y"而不是期望的"x",它使用这个值,但不知道这个值已经被其它线程修改过,就可能会出现问题。
而CAS协议正是用于解决这种并发修改问题。有线程试图修改当前key-value对的value时,先由gets方法得到item的版本号,操作完成提交数据时,则先比较获取的版本号与当前item key中的版本号是否一致,如果是相同的,则提交数据,完整set等更改操作。反之,如果不一致,则说明在该线程对item操作过程中,这个key-value对被其它线程更改过(当然也就更改了版本号),于是放弃此次修改(乐观锁概念)。
Memcached默认是打开cas属性的,每次执行更改操作后,存储数据时,都会生成其cas值并和item一起尝试这存储(是否存储成功,需要有版本号cas值是否一致来决定)如果操作成功则更改原版本号为该cas值,否则放弃本次操作。在进行gets操作会返回系统生成的cas值。
看下在存储item时的操作函数stor_item的相关代码:
//为新的item生成cas值
uint64_t get_cas_id(void)
{
static uint64_t cas_id = 0;
return ++cas_id;
}
//执行cas存储时执行的判断逻辑,
else if (ITEM_get_cas(it) == ITEM_get_cas(old_it))//版本号cas值一致
{
pthread_mutex_lock(&c->thread->stats.mutex);
c->thread->stats.slab_stats[old_it->slabs_clsid].cas_hits++;
pthread_mutex_unlock(&c->thread->stats.mutex);
item_replace(old_it, it, hv);//执行存储逻辑
stored = STORED;
}
else //版本号cas值不一致,不进行实际的存储
{
pthread_mutex_lock(&c->thread->stats.mutex);
c->thread->stats.slab_stats[old_it->slabs_clsid].cas_badval++; //更新统计信息
pthread_mutex_unlock(&c->thread->stats.mutex);
if (settings.verbose > 1)
{
//打印错误日志
fprintf(stderr, "CAS: failure: expected %llu, got %llu\n",
(unsigned long long) ITEM_get_cas(old_it),
(unsigned long long) ITEM_get_cas(it));
}
stored = EXISTS;
}
当因为cas值冲突,而不能完成对item的更改操作时,可以通过比如重试等方式,待没有其他线程同时来更改该item时,则能顺利完成更改操作。
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