深入理解Memcached原理

1.为什么要使用memcache

 由于网站的高并发读写需求，传统的关系型数据库开始出现瓶颈，例如：

1）对数据库的高并发读写：

关系型数据库本身就是个庞然大物，处理过程非常耗时（如解析SQL语句，事务处理等）。如果对关系型数据库进行高并发读写（每秒上万次的访问），那么它是无法承受的。

2）对海量数据的处理：

对于大型的SNS网站，每天有上千万次的数据产生（如twitter, 新浪微博）。对于关系型数据库，如果在一个有上亿条数据的数据表种查找某条记录，效率将非常低。

使用memcache能很好的解决以上问题。

在实际使用中，通常把数据库查询的结果保存到Memcache中，下次访问时直接从memcache中读取，而不再进行数据库查询操作，这样就在很大程度上减少了数据库的负担。

保存在memcache中的对象实际放置在内存中，这也是memcache如此高效的原因。



2.memcache的安装和使用

这个网上有太多教程了，不做赘言。

3.基于libevent的事件处理

libevent是个程序库，它将Linux的epoll、BSD类操作系统的kqueue等事件处理功能 封装成统一的接口。即使对服务器的连接数增加，也能发挥O(1)的性能。

 memcached使用这个libevent库，因此能在Linux、BSD、Solaris等操作系统上发挥其高性能。 

参考：
libevent: http://www.monkey.org/~provos/libevent/
The C10K Problem: http://www.kegel.com/c10k.html

 

4.memcache使用实例：

[php]
view plaincopyprint?





<?php  
$mc = new Memcache();  
$mc->connect('127.0.0.1', 11211);  
  
$uid = (int)$_GET['uid'];  
$sql = "select * from users where uid='uid' ";  
$key = md5($sql);  
if(!($data = $mc->get($key))) {  
    $conn = mysql_connect('localhost', 'test', 'test');  
    mysql_select_db('test');  
    $result = mysql_fetch_object($result);  
    while($row = mysql_fetch_object($result)) {  
          $data[] = $row;  
    }  
    $mc->add($key, $datas);  
}  
  
var_dump($datas);  
?>  

<?php
$mc = new Memcache();
$mc->connect('127.0.0.1', 11211);

$uid = (int)$_GET['uid'];
$sql = "select * from users where uid='uid' ";
$key = md5($sql);
if(!($data = $mc->get($key))) {
$conn = mysql_connect('localhost', 'test', 'test');
mysql_select_db('test');
$result = mysql_fetch_object($result);
while($row = mysql_fetch_object($result)) {
$data[] = $row;
}
$mc->add($key, $datas);
}

var_dump($datas);
?>

 

5.memcache如何支持高并发(此处还需深入研究)

memcache使用多路复用I/O模型，如（epoll, select等），传统I/O中，系统可能会因为某个用户连接还没做好I/O准备而一直等待，知道这个连接做好I/O准备。这时如果有其他用户连接到服务器，很可能会因为系统阻塞而得不到响应。

而多路复用I/O是一种消息通知模式，用户连接做好I/O准备后，系统会通知我们这个连接可以进行I/O操作，这样就不会阻塞在某个用户连接。因此，memcache才能支持高并发。

此外，memcache使用了多线程机制。可以同时处理多个请求。线程数一般设置为CPU核数，这研报告效率最高。

6.使用Slab分配算法保存数据

slab分配算法的原理是：把固定大小（1MB）的内存分为n小块，如下图所示：



slab分配算法把每1MB大小的内存称为一个slab页，每次向系统申请一个slab页，然后再通过分隔算法把这个slab页分割成若干个小块的chunk（如上图所示），然后把这些chunk分配给用户使用，分割算法如下（在slabs.c文件中）：

(注：memcache的github项目地址：https://github.com/wusuopubupt/memcached)

[cpp]
view plaincopyprint?





/** 
 * Determines the chunk sizes and initializes the slab class descriptors 
 * accordingly. 
 */  
void slabs_init(const size_t limit, const double factor, const bool prealloc) {  
    int i = POWER_SMALLEST - 1;  
    unsigned int size = sizeof(item) + settings.chunk_size;  
  
    mem_limit = limit;  
  
    if (prealloc) {  
        /* Allocate everything in a big chunk with malloc 通过malloc的方式申请内存*/  
        mem_base = malloc(mem_limit);  
        if (mem_base != NULL) {  
            mem_current = mem_base;  
            mem_avail = mem_limit;  
        } else {  
            fprintf(stderr, "Warning: Failed to allocate requested memory in"  
                    " one large chunk.\nWill allocate in smaller chunks\n");  
        }  
    }  
  
    memset(slabclass, 0, sizeof(slabclass));  
  
    while (++i < POWER_LARGEST && size <= settings.item_size_max / factor) {  
        /* Make sure items are always n-byte aligned  注意这里的字节对齐*/  
        if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES)  
            size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);  
  
        slabclass[i].size = size;  
        slabclass[i].perslab = settings.item_size_max / slabclass[i].size;  
        size *= factor;//以1.25为倍数增大chunk  
        if (settings.verbose > 1) {  
            fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",  
                    i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);  
        }  
    }  
  
    power_largest = i;  
    slabclass[power_largest].size = settings.item_size_max;  
    slabclass[power_largest].perslab = 1;  
    if (settings.verbose > 1) {  
        fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",  
                i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);  
    }  
  
    /* for the test suite:  faking of how much we've already malloc'd */  
    {  
        char *t_initial_malloc = getenv("T_MEMD_INITIAL_MALLOC");  
        if (t_initial_malloc) {  
            mem_malloced = (size_t)atol(t_initial_malloc);  
        }  
  
    }  
  
    if (prealloc) {  
        slabs_preallocate(power_largest);  
    }  
}  

/**
* Determines the chunk sizes and initializes the slab class descriptors
* accordingly.
*/
void slabs_init(const size_t limit, const double factor, const bool prealloc) {
int i = POWER_SMALLEST - 1;
unsigned int size = sizeof(item) + settings.chunk_size;

mem_limit = limit;

if (prealloc) {
/* Allocate everything in a big chunk with malloc 通过malloc的方式申请内存*/
mem_base = malloc(mem_limit);
if (mem_base != NULL) {
mem_current = mem_base;
mem_avail = mem_limit;
} else {
fprintf(stderr, "Warning: Failed to allocate requested memory in"
" one large chunk.\nWill allocate in smaller chunks\n");
}
}

memset(slabclass, 0, sizeof(slabclass));

while (++i < POWER_LARGEST && size <= settings.item_size_max / factor) {
/* Make sure items are always n-byte aligned  注意这里的字节对齐*/
if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES)
size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);

slabclass[i].size = size;
slabclass[i].perslab = settings.item_size_max / slabclass[i].size;
size *= factor;//以1.25为倍数增大chunk
if (settings.verbose > 1) {
fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",
i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);
}
}

power_largest = i;
slabclass[power_largest].size = settings.item_size_max;
slabclass[power_largest].perslab = 1;
if (settings.verbose > 1) {
fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",
i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);
}

/* for the test suite:  faking of how much we've already malloc'd */
{
char *t_initial_malloc = getenv("T_MEMD_INITIAL_MALLOC");
if (t_initial_malloc) {
mem_malloced = (size_t)atol(t_initial_malloc);
}

}

if (prealloc) {
slabs_preallocate(power_largest);
}
}

 

上面代码中的slabclass是一个类型为slabclass_t结构的数组，其定义如下：

[cpp]
view plaincopyprint?





typedef struct {  
    unsigned int size;      /* sizes of items */  
    unsigned int perslab;   /* how many items per slab */  
    void **slots;           /* list of item ptrs */  
    unsigned int sl_total;  /* size of previous array */  
    unsigned int sl_curr;   /* first free slot */  
    void *end_page_ptr;         /* pointer to next free item at end of page, or 0 */  
    unsigned int end_page_free; /* number of items remaining at end of last alloced page */  
    unsigned int slabs;     /* how many slabs were allocated for this class */  
    void **slab_list;       /* array of slab pointers */  
    unsigned int list_size; /* size of prev array */  
    unsigned int killing;  /* index+1 of dying slab, or zero if none */  
    size_t requested; /* The number of requested bytes */  
} slabclass_t;  

typedef struct {
unsigned int size;      /* sizes of items */
unsigned int perslab;   /* how many items per slab */
void **slots;           /* list of item ptrs */
unsigned int sl_total;  /* size of previous array */
unsigned int sl_curr;   /* first free slot */
void *end_page_ptr;         /* pointer to next free item at end of page, or 0 */
unsigned int end_page_free; /* number of items remaining at end of last alloced page */
unsigned int slabs;     /* how many slabs were allocated for this class */
void **slab_list;       /* array of slab pointers */
unsigned int list_size; /* size of prev array */
unsigned int killing;  /* index+1 of dying slab, or zero if none */
size_t requested; /* The number of requested bytes */
} slabclass_t;

 

借用别人的一张图说明slabclass_t结构:



由分割算法的源代码可知，slab算法按照不同大小的chunk分割slab页，而不同大小的chunk以factor（默认是1.25）倍增大。

使用memcache -u root -vv 命令查看内存分配情况(8字节对齐)：



找到大小最合适的chunk分配给请求缓存的数据：

[cpp]
view plaincopyprint?





/* 
 * Figures out which slab class (chunk size) is required to store an item of 
 * a given size. 
 * 
 * Given object size, return id to use when allocating/freeing memory for object 
 * 0 means error: can't store such a large object 
 */  
  
unsigned int slabs_clsid(const size_t size) {  
    int res = POWER_SMALLEST;// 初始化为最小的chunk  
  
    if (size == 0)  
        return 0;  
    while (size > slabclass[res].size) //逐渐增大chunk size，直到找到第一个比申请的size大的chunk  
        if (res++ == power_largest)     /* won't fit in the biggest slab */  
            return 0;  
    return res;  
}  

/*
* Figures out which slab class (chunk size) is required to store an item of
* a given size.
*
* Given object size, return id to use when allocating/freeing memory for object
* 0 means error: can't store such a large object
*/

unsigned int slabs_clsid(const size_t size) {
int res = POWER_SMALLEST;// 初始化为最小的chunk

if (size == 0)
return 0;
while (size > slabclass[res].size) //逐渐增大chunk size，直到找到第一个比申请的size大的chunk
if (res++ == power_largest)     /* won't fit in the biggest slab */
return 0;
return res;
}

内存分配：

（此处参考：http://slowsnail.com.cn/?p=20）

[cpp]
view plaincopyprint?





static void *do_slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id) {  
    slabclass_t *p;  
    void *ret = NULL;  
    item *it = NULL;  
   
    if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest) {//判断id是否会导致slabclass[]数组越界  
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, 0);  
        return NULL;  
    }  
   
    p = &slabclass[id];//获取slabclass[id]的引用  
    assert(p->sl_curr == 0 || ((item *)p->slots)->slabs_clsid == 0);//判断slabclass[id]是否有剩余的chunk  
   
    if (! (p->sl_curr != 0 || do_slabs_newslab(id) != 0)) {//如果slabclass[id]中已经没有空余chunk并且试图向系统申请一个“页”（slab）的chunk失败,则返回NULL  
    /* We don't have more memory available */  
        ret = NULL;  
    } else if (p->sl_curr != 0) {//slabclass[id]的空闲链表中还有chunk，则直接将其分配出去  
        it = (item *)p->slots;//获取空闲链表的头指针  
        p->slots = it->next;//将头结点指向下一个结点（取下头结点）  
        if (it->next) it->next->prev = 0;//将新头结点的prev指针置空  
        p->sl_curr--;//减少slabclass[id]空闲链表中的chunk计数  
        ret = (void *)it;//将头结点赋给ret指针  
    }  
   
    if (ret) {//请求成功  
        p->requested += size;//更新slabclass[id]所分配的内存总数  
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, p->size, ret);  
    } else {  
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);  
    }  
   
    return ret;  
}  

static void *do_slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id) {
slabclass_t *p;
void *ret = NULL;
item *it = NULL;

if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest) {//判断id是否会导致slabclass[]数组越界
MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, 0);
return NULL;
}

p = &slabclass[id];//获取slabclass[id]的引用
assert(p->sl_curr == 0 || ((item *)p->slots)->slabs_clsid == 0);//判断slabclass[id]是否有剩余的chunk

if (! (p->sl_curr != 0 || do_slabs_newslab(id) != 0)) {//如果slabclass[id]中已经没有空余chunk并且试图向系统申请一个“页”（slab）的chunk失败,则返回NULL
/* We don't have more memory available */
ret = NULL;
} else if (p->sl_curr != 0) {//slabclass[id]的空闲链表中还有chunk，则直接将其分配出去
it = (item *)p->slots;//获取空闲链表的头指针
p->slots = it->next;//将头结点指向下一个结点（取下头结点）
if (it->next) it->next->prev = 0;//将新头结点的prev指针置空
p->sl_curr--;//减少slabclass[id]空闲链表中的chunk计数
ret = (void *)it;//将头结点赋给ret指针
}

if (ret) {//请求成功
p->requested += size;//更新slabclass[id]所分配的内存总数
MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, p->size, ret);
} else {
MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);
}

return ret;
}

do_slabs_allc()函数首先尝试从slot列表（被回收的chunk）中获取可用的chunk,如果有可用的就返回，否则从空闲的chunk列表中获取可用的chunk并返回。

删除过期item:

延迟删除过期item到查找时进行，可以提高memcache的效率，因为不必每时每刻检查过期item,从而提高CPU工作效率

使用LRU(last recently used)算法淘汰数据：

[cpp]
view plaincopyprint?





/* 
 * try to get one off the right LRU 
 * don't necessariuly unlink the tail because it may be locked: refcount>0 
 * search up from tail an item with refcount==0 and unlink it; give up after 50 
 * tries 
 */  
  
if (tails[id] == 0) {  
    itemstats[id].outofmemory++;  
    return NULL;  
}  
  
for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {  
    if (search->refcount == 0) { //refount==0的情况，释放掉  
        if (search->exptime == 0 || search->exptime > current_time) {  
            itemstats[id].evicted++;  
            itemstats[id].evicted_time = current_time - search->time;  
            STATS_LOCK();  
            stats.evictions++;  
            STATS_UNLOCK();  
        }  
        do_item_unlink(search);  
        break;  
    }  
}  
it = slabs_alloc(ntotal, id);  
if (it == 0) {  
    itemstats[id].outofmemory++;  
    /* Last ditch effort. There is a very rare bug which causes 
     * refcount leaks. We've fixed most of them, but it still happens, 
     * and it may happen in the future. 
     * We can reasonably assume no item can stay locked for more than 
     * three hours, so if we find one in the tail which is that old, 
     * free it anyway. 
     */  
    tries = 50;  
    for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {  
        if (search->refcount != 0 && search->time + 10800 < current_time) { //最近3小时没有被访问到的情况，释放掉  
            itemstats[id].tailrepairs++;  
            search->refcount = 0;  
            do_item_unlink(search);  
            break;  
        }  
    }  
    it = slabs_alloc(ntotal, id);  
    if (it == 0) {  
        return NULL;  
    }  
}  

/*
* try to get one off the right LRU
* don't necessariuly unlink the tail because it may be locked: refcount>0
* search up from tail an item with refcount==0 and unlink it; give up after 50
* tries
*/

if (tails[id] == 0) {
itemstats[id].outofmemory++;
return NULL;
}

for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
if (search->refcount == 0) { //refount==0的情况，释放掉
if (search->exptime == 0 || search->exptime > current_time) {
itemstats[id].evicted++;
itemstats[id].evicted_time = current_time - search->time;
STATS_LOCK();
stats.evictions++;
STATS_UNLOCK();
}
do_item_unlink(search);
break;
}
}
it = slabs_alloc(ntotal, id);
if (it == 0) {
itemstats[id].outofmemory++;
/* Last ditch effort. There is a very rare bug which causes
* refcount leaks. We've fixed most of them, but it still happens,
* and it may happen in the future.
* We can reasonably assume no item can stay locked for more than
* three hours, so if we find one in the tail which is that old,
* free it anyway.
*/
tries = 50;
for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
if (search->refcount != 0 && search->time + 10800 < current_time) { //最近3小时没有被访问到的情况，释放掉
itemstats[id].tailrepairs++;
search->refcount = 0;
do_item_unlink(search);
break;
}
}
it = slabs_alloc(ntotal, id);
if (it == 0) {
return NULL;
}
}

 

从item列表的尾部开始遍历，找到refcount==0的chunk,调用do_item_unlink()函数释放掉，另外，search->time+10800<current_time(即最近3小时没有被访问过的item)，也释放掉--这就是LRU算法的原理。

附：阿里2014笔试题一道：

某缓存系统采用LRU淘汰算法，假定缓存容量为4,并且初始为空，那么在顺序访问一下数据项的时候：1,5,1,3,5,2,4,1,2出现缓存直接命中的次数是？，最后缓存中即将准备淘汰的数据项是？

答案：3， 5
解答：

1调入内存 1
5调入内存 1 5
1调入内存 5 1（命中 1，更新次序）
3调入内存 5 1 3
5调入内存 1 3 5 （命中5）
2调入内存 1 3 5 2
4调入内存（1最久未使用，淘汰1） 3 5 2 4
1调入内存（3最久未使用，淘汰3） 5 2 4 1
2调入内存 5 4 1 2（命中2）
因此，直接命中次数是3,最后缓存即将准备淘汰的数据项是5
 
以上是转自http://blog.csdn.net/wusuopuBUPT/article/details/18238003