腾云阁memcached与redis实现的对比

Posted 2021-05-02 腾讯云

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田京昆

腾讯后台研发工程师

memcached和redis，作为近些年最常用的缓存服务器，相信大家对它们再熟悉不过了。为了对他们有更深入的了解，我曾经读过它们的主要源码，并从个人角度简单对比一下它们的实现方式，有理解错误之处，欢迎指正。

文中使用的架构类的图片大多来自于网络，有部分图与最新实现有出入，文中已经指出。

1. 综述

读一个软件的源码，首先要弄懂软件是用作干什么的，那memcached和redis是干啥的？众所周知，数据一般会放在数据库中，但是查询数据会相对比较慢，特别是用户很多时，频繁的查询，需要耗费大量的时间。怎么办呢？数据放在哪里查询快？那肯定是内存中。memcached和redis就是将数据存储在内存中，按照key-value的方式查询，可以大幅度提高效率。所以一般它们都用做缓存服务器，缓存常用的数据，需要查询的时候，直接从它们那儿获取，减少查询数据库的次数，提高查询效率。

2. 事件模型

下面开始讲他们具体是怎么实现的了。首先来看一下它们的事件模型。

它们都使用epoll来做事件循环，不过redis是单线程的服务器（redis也是多线程的，只不过除了主线程以外，其他线程没有event loop，只是会进行一些后台存储工作），而memcached是多线程的。 redis的事件模型很简单，只有一个event loop，是简单的reactor实现。

而memcached是多线程的，使用master-worker的方式，主线程监听端口，建立连接，然后顺序分配给各个工作线程。每一个从线程都有一个event loop，它们服务不同的客户端。master线程和worker线程之间使用管道通信，每一个工作线程都会创建一个管道，然后保存写端和读端，并且将读端加入event loop，监听可读事件。同时，每个从线程都有一个就绪连接队列，主线程连接连接后，将连接的item放入这个队列，然后往该线程的管道的写端写入一个connect命令，这样event loop中加入的管道读端就会就绪，从线程读取命令，解析命令发现是有连接，然后就会去自己的就绪队列中获取连接，并进行处理。多线程的优势就是可以充分发挥多核的优势，不过编写程序麻烦一点，memcached里面就有各种锁和条件变量来进行线程同步。

3. 内存分配

memcached和redis的核心任务都是在内存中操作数据，内存管理自然是核心的内容。

首先看看他们的内存分配方式。memcached是有自己内存池的，即预先分配一大块内存，然后接下来分配内存就从内存池中分配，这样可以减少内存分配的次数，提高效率，这也是大部分网络服务器的实现方式，只不过各个内存池的管理方式根据具体情况而不同。而redis没有自己内存池，而是直接使用时分配，即什么时候需要什么时候分配，内存管理的事交给内核，自己只负责读取和释放（redis既是单线程，又没有自己的内存池，是不是感觉实现的太简单了？那是因为它的重点都放在数据库模块了）。不过redis支持使用tcmalloc来替换glibc的malloc，前者是google的产品，比glibc的malloc快。

由于redis没有自己的内存池，所以内存申请和释放的管理就简单很多，直接malloc和free即可，十分方便。而memcached是支持内存池的，所以内存申请是从内存池中获取，而free也是还给内存池，所以需要很多额外的管理操作，实现起来麻烦很多，具体的会在后面memcached的slab机制讲解中分析。

4. 数据库实现

接下来看看他们的最核心内容，各自数据库的实现。

4.1 memcached数据库实现

memcached只支持key-value，即只能一个key对于一个value。它的数据在内存中也是这样以key-value对的方式存储，它使用slab机制。

首先看memcached是如何存储数据的，即存储key-value对。如下图，每一个key-value对都存储在一个item结构中，包含了相关的属性和key和value的值。

item是从哪里分配的呢？从slab中。如下图，memcached有很多slabclass，它们管理slab，每一个slab其实是trunk的集合，真正的item是在trunk中分配的，一个trunk分配一个item。一个slab中的trunk的大小一样，不同的slab，trunk的大小按比例递增，需要新申请一个item的时候，根据它的大小来选择trunk，规则是比它大的最小的那个trunk。这样，不同大小的item就分配在不同的slab中，归不同的slabclass管理。 这样的缺点是会有部分内存浪费，因为一个trunk可能比item大，如图2，分配100B的item的时候，选择112的trunk，但是会有12B的浪费，这部分内存资源没有使用。

每次需要新分配item的时候，找到slabclass对于的链表，从尾部往前找，看item是否已经过期，过期的话，直接就用这个过期的item当做新的item。没有过期的，则需要从slab中分配trunk，如果slab用完了，则需要往slabclass中添加slab了。

以上就是memcached如何实现一个key-value的数据库的介绍。

4.2 redis数据库实现   

首先redis数据库的功能强大一些，因为不像memcached只支持保存字符串，redis支持string， list， set，sorted set，hash table 5种数据结构。例如存储一个人的信息就可以使用hash table，用人的名字做key，然后name super， age 24， 通过key 和 name，就可以取到名字super，或者通过key和age，就可以取到年龄24。这样，当只需要取得age的时候，不需要把人的整个信息取回来，然后从里面找age，直接获取age即可，高效方便。

为了实现这些数据结构，redis定义了抽象的对象redis object，如下图。每一个对象有类型，一共5种：字符串，链表，集合，有序集合，哈希表。 同时，为了提高效率，redis为每种类型准备了多种实现方式，根据特定的场景来选择合适的实现方式，encoding就是表示对象的实现方式的。然后还有记录了对象的lru，即上次被访问的时间，同时在redis 服务器中会记录一个当前的时间（近似值，因为这个时间只是每隔一定时间，服务器进行自动维护的时候才更新），它们两个只差就可以计算出对象多久没有被访问了。 然后redis object中还有引用计数，这是为了共享对象，然后确定对象的删除时间用的。最后使用一个void*指针来指向对象的真正内容。正式由于使用了抽象redis object，使得数据库操作数据时方便很多，全部统一使用redis object对象即可，需要区分对象类型的时候，再根据type来判断。而且正式由于采用了这种面向对象的方法，让redis的代码看起来很像c++代码，其实全是用c写的。

//#define REDIS_STRING 0  // 字符串类型

//#define REDIS_LIST 1     // 链表类型

//#define REDIS_SET 2      // 集合类型(无序的)，可以求差集，并集等

//#define REDIS_ZSET 3     // 有序的集合类型

//#define REDIS_HASH 4     // 哈希类型

 

//#define REDIS_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */ //raw  未加工

//#define REDIS_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */

//#define REDIS_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */

//#define REDIS_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */

//#define REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* Encoded as regular linked list */

//#define REDIS_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */

//#define REDIS_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */

//#define REDIS_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */

//#define REDIS_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds

                                                                     string encoding */

 

typedef struct redisObject {

    unsigned type:4;          // 对象的类型，包括 /* Object types */

    unsigned encoding:4;      // 底部为了节省空间，一种type的数据，

                                                // 可   以采用不同的存储方式

    unsigned lru:REDIS_LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */

    int refcount;         // 引用计数

    void *ptr;

5种type的对象，每一个都至少有两种底层实现方式。string有3种：REDIS_ENCODING_RAW,REDIS_ENCIDING_INT,REDIS_ENCODING_EMBSTR，list有：普通双向链表和压缩链表，压缩链表简单的说，就是讲数组改造成链表，连续的空间，然后通过存储字符串的大小信息来模拟链表，相对普通链表来说可以节省空间，不过有副作用，由于是连续的空间，所以改变内存大小的时候，需要重新分配，并且由于保存了字符串的字节大小，所有有可能引起连续更新（具体实现请详细看代码）。set有dict和intset（全是整数的时候使用它来存储）， sorted set有：skiplist和ziplist， hashtable实现有压缩列表和dict和ziplist。skiplist就是跳表，它有接近于红黑树的效率，但是实现起来比红黑树简单很多，所以被采用（奇怪，这里又不造轮子了，难道因为这个轮子有点难？）。 hash table可以使用dict实现，则改dict中，每个dictentry中key保存了key（这是哈希表中的键值对的key），而value则保存了value，它们都是string。 而set中的dict，每个dictentry中key保存了set中具体的一个元素的值，value则为null。zset使用skiplist和ziplist实现，首先skiplist很好理解，就把它当做红黑树的替代品就行，和红黑树一样，它也可以排序。怎么用ziplist存储zset呢？首先在zset中，每个set中的元素都有一个分值score，用它来排序。所以在ziplist中，按照分值大小，先存元素，再存它的score，再存下一个元素，然后score。这样连续存储，所以插入或者删除的时候，都需要重新分配内存。所以当元素超过一定数量，或者某个元素的字符数超过一定数量，redis就会选择使用skiplist来实现zset（如果当前使用的是ziplist，会将这个ziplist中的数据取出，存入一个新的skiplist，然后删除改ziplist，这就是底层实现转换，其余类型的redis object也是可以转换的）。 另外，ziplist如何实现hashtable呢？其实也很简单，就是存储一个key，存储一个value，再存储一个key，再存储一个value。还是顺序存储，与zset实现类似，所以当元素超过一定数量，或者某个元素的字符数超过一定数量时，就会转换成hashtable来实现。各种底层实现方式是可以转换的，redis可以根据情况选择最合适的实现方式，这也是这样使用类似面向对象的实现方式的好处。

4.3 redis数据库持久化

redis和memcached的最大不同，就是redis支持数据持久化，这也是很多人选择使用redis而不是memcached的最大原因。 redis的持久化，分为两种策略，用户可以配置使用不同的策略。

4.3.1 RDB持久化

用户执行save或者bgsave的时候，就会触发RDB持久化操作。RDB持久化操作的核心思想就是把数据库原封不动的保存在文件里。

4.3.2 AOF持久化

首先想一个问题，保存数据库一定需要像RDB那样把数据库里面的所有数据保存下来么？有没有别的方法？

RDB保存的只是最终的数据库，它是一个结果。结果是怎么来的？是通过用户的各个命令建立起来的，所以可以不保存结果，而只保存建立这个结果的命令。 redis的AOF就是这个思想，它不同RDB保存db的数据，它保存的是一条一条建立数据库的命令。

我们首先来看AOF文件的格式，它里面保存的是一条一条的命令，首先存储命令长度，然后存储命令，具体的分隔符什么的可以自己深入研究，这都不是重点，反正知道AOF文件存储的是redis客户端执行的命令即可。

redis server中有一个sds  aof_buf, 如果aof持久化打开的话，每个修改数据库的命令都会存入这个aof_buf（保存的是aof文件中命令格式的字符串），然后event loop没循环一次，在server cron中调用flushaofbuf，把aof_buf中的命令写入aof文件（其实是write，真正写入的是内核缓冲区），再清空aof_buf，进入下一次loop。这样所有的数据库的变化，都可以通过aof文件中的命令来还原，达到了保存数据库的效果。

4.4 redis的事务

redis另一个比memcached强大的地方，是它支持简单的事务。事务简单说就是把几个命令合并，一次性执行全部命令。对于关系型数据库来说，事务还有回滚机制，即事务命令要么全部执行成功，只要有一条失败就回滚，回到事务执行前的状态。redis不支持回滚，它的事务只保证命令依次被执行，即使中间一条命令出错也会继续往下执行，所以说它只支持简单的事务。

5. 总结

总的来看，redis比memcached的功能多很多，实现也更复杂。不过memcached更专注于保存key-value数据（这已经能满足大多数使用场景了），而redis提供更丰富的数据结构及其他的一些功能。不能说redis比memcached好，不过从源码阅读的角度来看，redis的价值或许更大一点。另外，redis3.0里面支持了集群功能，这部分的代码还没有研究，后续再跟进。

看完关于memcached与redis实现方式的对比，你还有什么疑问吗？欢迎在下面留言提问，小编会邀请作者田京昆亲自为你解疑答惑！

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