Memcache的原理的详解
2015-03-18 23:02
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Memcache工作原理
首 先 memcached 是以守护程序方式运行于一个或多个服务器中，随时接受客户真个连接操纵，客户端可以由各种语言编写，目前已知的客户端 API 包括 Perl/PHP/Python/Ruby/Java/C#/C 等等。客户端在与 memcached 服务建立连接之后，接下来的事情就是存取对象了，每个被存取的对象都有一个唯一的标识符 key，存取操纵均通过这个 key 进行，保存到 memcached 中的对象实际上是放置内存中的，并不是保存在 cache 文件中的，这也是为什么 memcached 能够如此高效快速的原因。留意，这些对象并不是持久的，服务停止之后，里边的数据就会丢失。
与 很多 cache 工具类似，Memcached 的原理并不复杂。它采用了C/S的模式，在 server 端启动服务进程，在启动时可以指定监听的 ip，自己的端口号，所使用的内存大小等几个关键参数。一旦启动，服务就一直处于可用状态。Memcached 的目前版本是通过C实现，采用了单进程，单线程，异步I/O，基于事件 (event_based) 的服务方式.使用 libevent 作为事件通知实现。多个 Server 可以协同工作，但这些 Server 之间是没有任何通讯联系的，每个 Server 只是对自己的数据进行治理。Client 端通过指定 Server 真个 ip 地址(通过域名应该也可以)。需要缓存的对象或数据是以 key->value 对的形式保存在Server端。key 的值通过 hash 进行转换，根据 hash 值把 value 传递到对应的具体的某个 Server 上。当需要获取对象数据时，也根据 key 进行。首先对 key 进行 hash，通过获得的值可以确定它被保存在了哪台 Server 上，然后再向该 Server 发出请求。Client 端只需要知道保存 hash(key) 的值在哪台服务器上就可以了。
实在说到底，memcache 的工作就是在专门的机器的内存里维护一张巨大的 hash 表，来存储经常被读写的一些数组与文件，从而极大的进步网站的运行效率。memcache 命中率首先查看,在linux或window上有telnet连接memcache,然后输入stats会出现下面的命令,这些状态的说明如下:pid
memcache服务器的进程IDuptime
服务器已经运行的秒数time
服务器当前的unix时间戳version
memcache版本pointer_size
当前操作系统的指针大小（32位系统一般是32bit）rusage_user
进程的累计用户时间rusage_system
进程的累计系统时间curr_items
服务器当前存储的items数量total_items
从服务器启动以后存储的items总数量bytes
当前服务器存储items占用的字节数curr_connections
当前打开着的连接数total_connections
从服务器启动以后曾经打开过的连接数connection_structures
服务器分配的连接构造数cmd_get
get命令（获取）总请求次数cmd_set
set命令（保存）总请求次数get_hits
总命中次数get_misses
总未命中次数evictions
为获取空闲内存而删除的items数（分配给memcache的空间用满后需要删除旧的items来得到空间分配给新的items）bytes_read
总读取字节数（请求字节数）bytes_written
总发送字节数（结果字节数）limit_maxbytes
分配给memcache的内存大小（字节）threads
当前线程数一、缓存命中率 = get_hits/cmd_get * 100%
二、get_misses的数字加上get_hits应该等于cmd_get
三、total_items == cmd_set == get_misses，当可用最大内存用光时，memcached就会删掉一些内容，等式就会不成立memcached/scripts/memcached-too
Memcached， 人所皆知的remote distribute cache（不知道的可以javaeye一下下，或者google一下下，或者baidu一下下，但是鉴于baidu的排名商业味道太浓（从最近得某某事 件可以看出），所以还是建议javaeye一下下），使用起来也非常的简单，它被用在了很多网站上面，几乎很少有大型的网站不会使用 memcached。
曾经我也看过很多剖析memcached内部机制的文章，有一点收获，但是看过之后又忘记了，而且没有什么深刻的概念，但是最近我遇到一个问题，这个问题迫使我重新来认识memcache，下面我阐述一下我遇到的问题
问题：我有几千万的数据，这些数据会经常被用到，目前来看，它必须要放到memcached中，以保证访问速度，但是我的memcached中数据经常会 有丢失，而业务需求是memcached中的数据是不能丢失的。我的数据丢失的时候，memcached server的内存才使用到60%，也就是还有40%内存被严重的浪费掉了。但不是所有的应用都是这样，其他应用内存浪费的就比较少。为什么内存才使用到 60%的时候LRU就执行了呢（之所以确定是LRU执行是因为我发现我的数据丢失的总是前面放进去的，而且这个过程中，这些数据都没有被访问，比如第一次 访问的时候，只能访问第1000w条，而第300w条或者之前的数据都已经丢失了，从日志里看，第300w条肯定是放进去了）。
带着这些疑问，我开始重新审视memcached这个产品，首先从它的内存模型开始：我们知道c++里分配内存有两种方式，预先分配和动态分配，显然，预 先分配内存会使程序比较快，但是它的缺点是不能有效利用内存，而动态分配可以有效利用内存，但是会使程序运行效率下降，memcached的内存分配就是 基于以上原理，显然为了获得更快的速度，有时候我们不得不以空间换时间。
也就是说memcached会预先分配内存，对了，memcached分配内存方式称之为allocator，首先，这里有3个概念：
1 slab
2 page
3 chunk
解释一下，一般来说一个memcahced进程会预先将自己划分为若干个slab，每个slab下又有若干个page，每个page下又有多个 chunk，如果我们把这3个咚咚看作是object得话，这是两个一对多得关系。再一般来说，slab得数量是有限得，几个，十几个，或者几十个，这个 跟进程配置得内存有关。而每个slab下得page默认情况是1m，也就是说如果一个slab占用100m得内存得话，那么默认情况下这个slab所拥有 得page得个数就是100，而chunk就是我们得数据存放得最终地方。
举一个例子，我启动一个memcached进程，占用内存100m，再打开telnet，telnet localhost 11211，连接上memcache之后，输入stats slabs，回车，出现如下数据：
STAT 1:chunk_size 80
STAT 1:chunks_per_page 13107
STAT 1:total_pages 1
STAT 1:total_chunks 13107
STAT 1:used_chunks 13107
STAT 1:free_chunks 0
STAT 1:free_chunks_end 13107
STAT 2:chunk_size 100
STAT 2:chunks_per_page 10485
STAT 2:total_pages 1
STAT 2:total_chunks 10485
STAT 2:used_chunks 10485
STAT 2:free_chunks 0
STAT 2:free_chunks_end 10485
STAT 3:chunk_size 128
STAT 3:chunks_per_page 8192
STAT 3:total_pages 1
STAT 3:total_chunks 8192
STAT 3:used_chunks 8192
STAT 3:free_chunks 0
STAT 3:free_chunks_end 8192
以上就是前3个slab得详细信息
chunk_size表示数据存放块得大小，chunks_per_page表示一个内存页page中拥有得chunk得数量，total_pages表 示每个slab下page得个数。total_chunks表示这个slab下chunk得总数（＝total_pages * chunks_per_page），used_chunks表示该slab下已经使用得chunk得数量，free_chunks表示该slab下还可以 使用得chunks数量。
从上面得示例slab 1一共有1m得内存空间，而且现在已经被用完了，slab2也有1m得内存空间，也被用完了，slab3得情况依然如此。 而且从这3个slab中chunk得size可以看出来，第一个chunk为80b，第二个是100b，第3个是128b，基本上后一个是前一个得 1.25倍，但是这个增长情况我们是可以控制得，我们可以通过在启动时得进程参数 –f来修改这个值，比如说 –f 1.1表示这个增长因子为1.1，那么第一个slab中得chunk为80b得话，第二个slab中得chunk应该是80*1.1左右。
解释了这么多也该可以看出来我遇到得问题得原因了，如果还看不出来，那我再补充关键的一句：memcached中新的value过来存放的地址是该 value的大小决定的，value总是会被选择存放到chunk与其最接近的一个slab中，比如上面的例子，如果我的value是80b，那么我这所 有的value总是会被存放到1号slab中，而1号slab中的free_chunks已经是0了，怎么办呢，如果你在启动memcached的时候没 有追加-M（禁止LRU，这种情况下内存不够时会out of memory），那么memcached会把这个slab中最近最少被使用的chunk中的数据清掉，然后放上最新的数据。这就解释了为什么我的内存还有 40%的时候LRU就执行了，因为我的其他slab中的chunk_size都远大于我的value，所以我的value根本不会放到那几个slab中， 而只会放到和我的value最接近的chunk所在的slab中(而这些slab早就满了，郁闷了)。这就导致了我的数据被不停的覆盖，后者覆盖前者。
问题找到了，解决方案还是没有找到，因为我的数据必须要求命中率时100%，我只能通过调整slab的增长因子和page的大小来尽量来使命中率接近 100%，但是并不能100%保证命中率是100%（这话怎么读起来这么别扭呢，自我检讨一下自己的语文水平），如果您说，这种方案不行啊，因为我的 memcached server不能停啊，不要紧还有另外一个方法，就是memcached-tool，执行move命令，如：move 3 1，代表把3号slab中的一个内存页移动到1号slab中，有人问了，这有什么用呢，比如说我的20号slab的利用率非常低，但是page却又很多， 比如200，那么就是200m，而2好slab经常发生LRU，明显page不够，我就可以move 20 2，把20号slab的一个内存页移动到2号slab上，这样就能更加有效的利用内存了（有人说了，一次只移动一个page，多麻烦啊？ahuaxuan 说，还是写个脚本，循环一下吧）。
有人说不行啊，我的memcache中的数据不能丢失啊，ok，试试新浪的memcachedb吧，虽然我没有用过，但是建议大家可以试试，它也使利用 memcache协议和berkeleyDB做的（写到这里，我不得不佩服danga了，我觉得它最大的贡献不是memcache server本身，而是memcache协议），据说它被用在新浪的不少应用上，包括新浪的博客。
补充，stats slab命令可以查看memcached中slab的情况，而stats命令可以查看你的memcached的一些健康情况，比如说命中率之类的，示例如下：
STAT pid 2232
STAT uptime 1348
STAT time 1218120955
STAT version 1.2.1
STAT pointer_size 32
STAT curr_items 0
STAT total_items 0
STAT bytes 0
STAT curr_connections 1
STAT total_connections 3
STAT connection_structures 2
STAT cmd_get 0
STAT cmd_set 0
STAT get_hits 0
STAT get_misses 0
STAT bytes_read 26
STAT bytes_written 16655
STAT limit_maxbytes 104857600
从上面的数据可以看到这个memcached进程的命中率很好，get_misses低达0个，怎么回事啊，因为这个进程使我刚启动的，我只用 telnet连了一下，所以curr_connections为1，而total_items为0，因为我没有放数据进去，get_hits为0，因为我 没有调用get方法，最后的结果就是misses当然为0，哇哦，换句话说命中率就是100%，又yy了。
该到总结的时候了，从这篇文章里我们可以得到以下几个结论：
结论一，memcached得LRU不是全局的，而是针对slab的，可以说是区域性的。
结论二，要提高memcached的命中率，预估我们的value大小并且适当的调整内存页大小和增长因子是必须的。
结论三，带着问题找答案理解的要比随便看看的效果好得多。
Memcache工作原理
首 先 memcached 是以守护程序方式运行于一个或多个服务器中，随时接受客户真个连接操纵，客户端可以由各种语言编写，目前已知的客户端 API 包括 Perl/PHP/Python/Ruby/Java/C#/C 等等。客户端在与 memcached 服务建立连接之后，接下来的事情就是存取对象了，每个被存取的对象都有一个唯一的标识符 key，存取操纵均通过这个 key 进行，保存到 memcached 中的对象实际上是放置内存中的，并不是保存在 cache 文件中的，这也是为什么 memcached 能够如此高效快速的原因。留意，这些对象并不是持久的，服务停止之后，里边的数据就会丢失。
与 很多 cache 工具类似，Memcached 的原理并不复杂。它采用了C/S的模式，在 server 端启动服务进程，在启动时可以指定监听的 ip，自己的端口号，所使用的内存大小等几个关键参数。一旦启动，服务就一直处于可用状态。Memcached 的目前版本是通过C实现，采用了单进程，单线程，异步I/O，基于事件 (event_based) 的服务方式.使用 libevent 作为事件通知实现。多个 Server 可以协同工作，但这些 Server 之间是没有任何通讯联系的，每个 Server 只是对自己的数据进行治理。Client 端通过指定 Server 真个 ip 地址(通过域名应该也可以)。需要缓存的对象或数据是以 key->value 对的形式保存在Server端。key 的值通过 hash 进行转换，根据 hash 值把 value 传递到对应的具体的某个 Server 上。当需要获取对象数据时，也根据 key 进行。首先对 key 进行 hash，通过获得的值可以确定它被保存在了哪台 Server 上，然后再向该 Server 发出请求。Client 端只需要知道保存 hash(key) 的值在哪台服务器上就可以了。
实在说到底，memcache 的工作就是在专门的机器的内存里维护一张巨大的 hash 表，来存储经常被读写的一些数组与文件，从而极大的进步网站的运行效率。memcache 命中率首先查看,在linux或window上有telnet连接memcache,然后输入stats会出现下面的命令,这些状态的说明如下:pid
memcache服务器的进程IDuptime
服务器已经运行的秒数time
服务器当前的unix时间戳version
memcache版本pointer_size
当前操作系统的指针大小（32位系统一般是32bit）rusage_user
进程的累计用户时间rusage_system
进程的累计系统时间curr_items
服务器当前存储的items数量total_items
从服务器启动以后存储的items总数量bytes
当前服务器存储items占用的字节数curr_connections
当前打开着的连接数total_connections
从服务器启动以后曾经打开过的连接数connection_structures
服务器分配的连接构造数cmd_get
get命令（获取）总请求次数cmd_set
set命令（保存）总请求次数get_hits
总命中次数get_misses
总未命中次数evictions
为获取空闲内存而删除的items数（分配给memcache的空间用满后需要删除旧的items来得到空间分配给新的items）bytes_read
总读取字节数（请求字节数）bytes_written
总发送字节数（结果字节数）limit_maxbytes
分配给memcache的内存大小（字节）threads
当前线程数一、缓存命中率 = get_hits/cmd_get * 100%
二、get_misses的数字加上get_hits应该等于cmd_get
三、total_items == cmd_set == get_misses，当可用最大内存用光时，memcached就会删掉一些内容，等式就会不成立memcached/scripts/memcached-too
Memcached， 人所皆知的remote distribute cache（不知道的可以javaeye一下下，或者google一下下，或者baidu一下下，但是鉴于baidu的排名商业味道太浓（从最近得某某事 件可以看出），所以还是建议javaeye一下下），使用起来也非常的简单，它被用在了很多网站上面，几乎很少有大型的网站不会使用 memcached。
曾经我也看过很多剖析memcached内部机制的文章，有一点收获，但是看过之后又忘记了，而且没有什么深刻的概念，但是最近我遇到一个问题，这个问题迫使我重新来认识memcache，下面我阐述一下我遇到的问题
问题：我有几千万的数据，这些数据会经常被用到，目前来看，它必须要放到memcached中，以保证访问速度，但是我的memcached中数据经常会 有丢失，而业务需求是memcached中的数据是不能丢失的。我的数据丢失的时候，memcached server的内存才使用到60%，也就是还有40%内存被严重的浪费掉了。但不是所有的应用都是这样，其他应用内存浪费的就比较少。为什么内存才使用到 60%的时候LRU就执行了呢（之所以确定是LRU执行是因为我发现我的数据丢失的总是前面放进去的，而且这个过程中，这些数据都没有被访问，比如第一次 访问的时候，只能访问第1000w条，而第300w条或者之前的数据都已经丢失了，从日志里看，第300w条肯定是放进去了）。
带着这些疑问，我开始重新审视memcached这个产品，首先从它的内存模型开始：我们知道c++里分配内存有两种方式，预先分配和动态分配，显然，预 先分配内存会使程序比较快，但是它的缺点是不能有效利用内存，而动态分配可以有效利用内存，但是会使程序运行效率下降，memcached的内存分配就是 基于以上原理，显然为了获得更快的速度，有时候我们不得不以空间换时间。
也就是说memcached会预先分配内存，对了，memcached分配内存方式称之为allocator，首先，这里有3个概念：
1 slab
2 page
3 chunk
解释一下，一般来说一个memcahced进程会预先将自己划分为若干个slab，每个slab下又有若干个page，每个page下又有多个 chunk，如果我们把这3个咚咚看作是object得话，这是两个一对多得关系。再一般来说，slab得数量是有限得，几个，十几个，或者几十个，这个 跟进程配置得内存有关。而每个slab下得page默认情况是1m，也就是说如果一个slab占用100m得内存得话，那么默认情况下这个slab所拥有 得page得个数就是100，而chunk就是我们得数据存放得最终地方。
举一个例子，我启动一个memcached进程，占用内存100m，再打开telnet，telnet localhost 11211，连接上memcache之后，输入stats slabs，回车，出现如下数据：
STAT 1:chunk_size 80
STAT 1:chunks_per_page 13107
STAT 1:total_pages 1
STAT 1:total_chunks 13107
STAT 1:used_chunks 13107
STAT 1:free_chunks 0
STAT 1:free_chunks_end 13107
STAT 2:chunk_size 100
STAT 2:chunks_per_page 10485
STAT 2:total_pages 1
STAT 2:total_chunks 10485
STAT 2:used_chunks 10485
STAT 2:free_chunks 0
STAT 2:free_chunks_end 10485
STAT 3:chunk_size 128
STAT 3:chunks_per_page 8192
STAT 3:total_pages 1
STAT 3:total_chunks 8192
STAT 3:used_chunks 8192
STAT 3:free_chunks 0
STAT 3:free_chunks_end 8192
以上就是前3个slab得详细信息
chunk_size表示数据存放块得大小，chunks_per_page表示一个内存页page中拥有得chunk得数量，total_pages表 示每个slab下page得个数。total_chunks表示这个slab下chunk得总数（＝total_pages * chunks_per_page），used_chunks表示该slab下已经使用得chunk得数量，free_chunks表示该slab下还可以 使用得chunks数量。
从上面得示例slab 1一共有1m得内存空间，而且现在已经被用完了，slab2也有1m得内存空间，也被用完了，slab3得情况依然如此。 而且从这3个slab中chunk得size可以看出来，第一个chunk为80b，第二个是100b，第3个是128b，基本上后一个是前一个得 1.25倍，但是这个增长情况我们是可以控制得，我们可以通过在启动时得进程参数 –f来修改这个值，比如说 –f 1.1表示这个增长因子为1.1，那么第一个slab中得chunk为80b得话，第二个slab中得chunk应该是80*1.1左右。
解释了这么多也该可以看出来我遇到得问题得原因了，如果还看不出来，那我再补充关键的一句：memcached中新的value过来存放的地址是该 value的大小决定的，value总是会被选择存放到chunk与其最接近的一个slab中，比如上面的例子，如果我的value是80b，那么我这所 有的value总是会被存放到1号slab中，而1号slab中的free_chunks已经是0了，怎么办呢，如果你在启动memcached的时候没 有追加-M（禁止LRU，这种情况下内存不够时会out of memory），那么memcached会把这个slab中最近最少被使用的chunk中的数据清掉，然后放上最新的数据。这就解释了为什么我的内存还有 40%的时候LRU就执行了，因为我的其他slab中的chunk_size都远大于我的value，所以我的value根本不会放到那几个slab中， 而只会放到和我的value最接近的chunk所在的slab中(而这些slab早就满了，郁闷了)。这就导致了我的数据被不停的覆盖，后者覆盖前者。
问题找到了，解决方案还是没有找到，因为我的数据必须要求命中率时100%，我只能通过调整slab的增长因子和page的大小来尽量来使命中率接近 100%，但是并不能100%保证命中率是100%（这话怎么读起来这么别扭呢，自我检讨一下自己的语文水平），如果您说，这种方案不行啊，因为我的 memcached server不能停啊，不要紧还有另外一个方法，就是memcached-tool，执行move命令，如：move 3 1，代表把3号slab中的一个内存页移动到1号slab中，有人问了，这有什么用呢，比如说我的20号slab的利用率非常低，但是page却又很多， 比如200，那么就是200m，而2好slab经常发生LRU，明显page不够，我就可以move 20 2，把20号slab的一个内存页移动到2号slab上，这样就能更加有效的利用内存了（有人说了，一次只移动一个page，多麻烦啊？ahuaxuan 说，还是写个脚本，循环一下吧）。
有人说不行啊，我的memcache中的数据不能丢失啊，ok，试试新浪的memcachedb吧，虽然我没有用过，但是建议大家可以试试，它也使利用 memcache协议和berkeleyDB做的（写到这里，我不得不佩服danga了，我觉得它最大的贡献不是memcache server本身，而是memcache协议），据说它被用在新浪的不少应用上，包括新浪的博客。
补充，stats slab命令可以查看memcached中slab的情况，而stats命令可以查看你的memcached的一些健康情况，比如说命中率之类的，示例如下：
STAT pid 2232
STAT uptime 1348
STAT time 1218120955
STAT version 1.2.1
STAT pointer_size 32
STAT curr_items 0
STAT total_items 0
STAT bytes 0
STAT curr_connections 1
STAT total_connections 3
STAT connection_structures 2
STAT cmd_get 0
STAT cmd_set 0
STAT get_hits 0
STAT get_misses 0
STAT bytes_read 26
STAT bytes_written 16655
STAT limit_maxbytes 104857600
从上面的数据可以看到这个memcached进程的命中率很好，get_misses低达0个，怎么回事啊，因为这个进程使我刚启动的，我只用 telnet连了一下，所以curr_connections为1，而total_items为0，因为我没有放数据进去，get_hits为0，因为我 没有调用get方法，最后的结果就是misses当然为0，哇哦，换句话说命中率就是100%，又yy了。
该到总结的时候了，从这篇文章里我们可以得到以下几个结论：
结论一，memcached得LRU不是全局的，而是针对slab的，可以说是区域性的。
结论二，要提高memcached的命中率，预估我们的value大小并且适当的调整内存页大小和增长因子是必须的。
结论三，带着问题找答案理解的要比随便看看的效果好得多。
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