Memcache 内存分配策略和性能(使用)状态检查

Posted 2020-09-18

一直在使用Memcache，但是对其内部的问题，如它内存是怎么样被使用的，使用一段时间后想看看一些状态怎么样？一直都不清楚，查了又忘记，现在整理出该篇文章，方便自己查阅。本文不涉及安装、操作。有兴趣的同学可以查看之前写的文章和Google。

1：参数

memcached -h  memcached 1.4.14-p <num>           TCP端口，默认为11211，可以不设置-U <num>           UDP端口，默认为11211，0为关闭-s <file>          UNIX socket-a <mask>          access mask for UNIX socket, in octal (default: 0700)-l <addr>          监听的 IP 地址，本机可以不设置此参数-d                 以守护程序（daemon）方式运行-u                 指定用户，如果当前为 root ，需要使用此参数指定用户-m <num>           最大内存使用，单位MB。默认64MB-M                 禁止LRU策略，内存耗尽时返回错误，而不是删除项-c <num>           最大同时连接数，默认是1024-v                 verbose (print errors/warnings while in event loop)-vv                very verbose (also print client commands/reponses)-vvv               extremely verbose (also print internal state transitions)-h                 帮助信息-i                 print memcached and libevent license-P <file>          保存PID到指定文件-f <factor>        增长因子，默认1.25-n <bytes>         初始chunk=key+suffix+value+32结构体，默认48字节-L                 启用大内存页，可以降低内存浪费，改进性能-t <num>           线程数，默认4。由于memcached采用NIO，所以更多线程没有太多作用-R                 每个event连接最大并发数，默认20-C                 禁用CAS命令（可以禁止版本计数，减少开销）-b                 Set the backlog queue limit (default: 1024)-B                 Binding protocol-one of ascii, binary or auto (default)-I                 调整分配slab页的大小，默认1M，最小1k到128M

 上面加粗的参数，需要重点关注，正常启动的例子:

启动：/usr/bin/memcached -m 64 -p 11212 -u nobody -c 2048 -f 1.1 -I 1024 -d -l 10.211.55.9连接：telnet 10.211.55.9 11212Trying 10.211.55.9...
Connected to 10.211.55.9.
Escape character is ‘^]‘.

可以通过命令查看所有参数：stats settings

2：理解memcached的内存存储机制

      Memcached默认情况下采用了名为Slab Allocator的机制分配、管理内存。在该机制出现以前，内存的分配是通过对所有记录简单地进行malloc和free来进行的。但是，这种方式会导致内存碎片，加重操作系统内存管理器的负担，最坏的情况下，会导致操作系统比memcached进程本身还慢。Slab Allocator就是为解决该问题而诞生的。

      Slab Allocator的基本原理是按照预先规定的大小，将分配的内存以page为单位，默认情况下一个page是1M，可以通过-I参数在启动时指定，分割成各种尺寸的块（chunk）， 并把尺寸相同的块分成组（chunk的集合），如果需要申请内存时，memcached会划分出一个新的page并分配给需要的slab区域。page一旦被分配在重启前不会被回收或者重新分配，以解决内存碎片问题。

Page

分配给Slab的内存空间，默认是1MB。分配给Slab之后根据slab的大小切分成chunk。

Chunk

用于缓存记录的内存空间。

Slab Class

特定大小的chunk的组。

      Memcached并不是将所有大小的数据都放在一起的，而是预先将数据空间划分为一系列slabs，每个slab只负责一定范围内的数据存储。memcached根据收到的数据的大小，选择最适合数据大小的slab。memcached中保存着slab内空闲chunk的列表，根据该列表选择chunk，然后将数据缓存于其中。

      如图所示，每个slab只存储大于其上一个slab的size并小于或者等于自己最大size的数据。例如：100字节大小的字符串会被存到slab2（88-112）中，每个slab负责的空间是不等的，memcached默认情况下下一个slab的最大值为前一个的1.25倍，这个可以通过修改-f参数来修改增长比例。

      Slab Allocator解决了当初的内存碎片问题，但新的机制也给memcached带来了新的问题。chunk是memcached实际存放缓存数据的地方，这个大小就是管理它的slab的最大存放大小。每个slab中的chunk大小是一样的，如上图所示slab1的chunk大小是88字节，slab2是112字节。由于分配的是特定长度的内存，因此无法有效利用分配的内存。例如，将100字节的数据缓存到128字节的chunk中，剩余的28字节就浪费了。这里需要注意的是chunk中不仅仅存放缓存对象的value，而且保存了缓存对象的key，expire time， flag等详细信息。所以当set 1字节的item，需要远远大于1字节的空间存放。

memcached在启动时指定 Growth Factor因子（通过-f选项）， 就可以在某种程度上控制slab之间的差异。默认值为1.25。

slab的内存分配具体过程如下：

      Memcached在启动时通过-m参数指定最大使用内存，但是这个不会一启动就占用完，而是逐步分配给各slab的。如果一个新的数据要被存放，首先选择一个合适的slab，然后查看该slab是否还有空闲的chunk，如果有则直接存放进去；如果没有则要进行申请，slab申请内存时以page为单位，无论大小为多少，都会有1M大小的page被分配给该slab（该page不会被回收或者重新分配，永远都属于该slab）。申请到page后，slab会将这个page的内存按chunk的大小进行切分，这样就变成了一个chunk的数组，再从这个chunk数组中选择一个用于存储数据。若没有空闲的page的时候，则会对改slab进行LRU，而不是对整个memcache进行LRU。

以上大致讲解了memcache的内存分配策略，下面来说明如何查看memcache的使用状况。 

3，memcache状态和性能查看

 ① 命中率 ：stats命令

按照下面的图来解读分析

 get_hits表示读取cache命中的次数，get_misses是读取失败的次数，即尝试读取不存在的缓存数据。即：

命中率=get_hits / (get_hits + get_misses) 

命中率越高说明cache起到的缓存作用越大。但是在实际使用中，这个命中率不是有效数据的命中率，有些时候get操作可能只是检查一个key存在不存在，这个时候miss也是正确的，这个命中率是从memcached启动开始所有的请求的综合值，不能反映一个时间段内的情况，所以要排查memcached的性能问题，还需要更详细的数值。但是高的命中率还是能够反映出memcached良好的使用情况，突然下跌的命中率能够反映大量cache丢失的发生。

② 观察各slab的items的情况：Stats items命令

主要参数说明：

outofmemory	slab class为新item分配空间失败的次数。这意味着你运行时带上了-M或者移除操作失败
number	存放的数据总数
age	存放的数据中存放时间最久的数据已经存在的时间，以秒为单位
evicted	不得不从LRU中移除未过期item的次数
evicted_time	自最后一次清除过期item起所经历的秒数，即最后被移除缓存的时间，0表示当前就有被移除，用这个来判断数据被移除的最近时间
evicted_nonzero	没有设置过期时间（默认30天），但不得不从LRU中称除该未过期的item的次数

      因为memcached的内存分配策略导致一旦memcached的总内存达到了设置的最大内存，表示所有的slab能够使用的page都已经固定，这时如果还有数据放入，将导致memcached使用LRU策略剔除数据。而LRU策略不是针对所有的slabs，而是只针对新数据应该被放入的slab，例如有一个新的数据要被放入slab 3，则LRU只对slab 3进行，通过stats items就可以观察到这些剔除的情况。

注意evicted_time：并不是发生了LRU就代表memcached负载过载了，因为有些时候在使用cache时会设置过期时间为0，这样缓存将被存放30天，如果内存满了还持续放入数据，而这些为过期的数据很久没有被使用，则可能被剔除。把evicted_time换算成标准时间看下是否已经达到了你可以接受的时间，例如：你认为数据被缓存了2天是你可以接受的，而最后被剔除的数据已经存放了3天以上，则可以认为这个slab的压力其实可以接受的；但是如果最后被剔除的数据只被缓存了20秒，不用考虑，这个slab已经负载过重了。

通过上面的说明可以看到当前的memcache的slab1的状态：

items有305816个，有效时间最久的是21529秒，通过LRU移除未过期的items有95336839个，通过LRU移除没有设置过期时间的未过期items有95312220个，当前就有被清除的items，启动时没有带-M参数。

③ 观察各slabs的情况：stats slabs命令

从Stats items中如果发现有异常的slab，则可以通过stats slabs查看下该slab是不是内存分配的确有问题。

主要参数说明：

属性名称	属性说明
chunk_size	当前slab每个chunk的大小
chunk_per_page	每个page能够存放的chunk数
total_pages	分配给当前slab的page总数，默认1个page大小1M，可以计算出该slab的大小
total_chunks	当前slab最多能够存放的chunk数，应该等于chunck_per_page * total_page
used_chunks	已经被占用的chunks总数
free_chunks	过期数据空出的chunk但还没有被使用的chunk数
free_chunks_end	新分配的但是还没有被使用的chunk数

 

 

 

 

 

 

这里需要注意：total_pages 这个是当前slab总共分配大的page总数，如果没有修改page的默认大小的情况下，这个数值就是当前slab能够缓存的数据的总大小（单位为M）。如果这个slab的剔除非常严重，一定要注意这个slab的page数是不是太少了。还有一个公式：

total_chunks = used_chunks + free_chunks + free_chunks_end

另外stats slabs还有2个属性：

属性名称	属性说明
active_slabs	活动的slab总数
total_malloced	实际已经分配的总内存数，单位为byte，这个数值决定了memcached实际还能申请多少内存，如果这个值已经达到设定的上限(和stats settings中的maxbytes对比)，则不会有新的page被分配。

 

④ 对象数量的统计：stats sizes

 

注意：该命令会锁定服务，暂停处理请求。该命令展示了固定chunk大小中的items的数量。也可以看出slab1(96byte)中有多少个chunks。

⑤ 查看、导出key：stats cachedump

在进入memcache中，大家都想查看cache里的key，类似redis中的keys *命令，在memcache里也可以查看，但是需要2步完成。

一是先列出items:

stats items  --命令...
...
STAT items:29:number 228STAT items:29:age 34935...
END

二是通过itemid取key，上面的id是29，再加上一个参数：为列出的长度，0为全部列出。

stats cachedump 29 0   --命令ITEM 26457202 [49440 b; 1467262309 s]
...
ITEM 30017977 [45992 b; 1467425702 s]
ITEM 26634739 [48405 b; 1467437677 s]
END  --总共228个keyget 26634739  取value

如何导出key呢？这里就需要通过 echo ... nc 来完成了

echo  "stats cachedump 29 0" | nc 10.211.55.9 11212 >/home/zhoujy/memcache.log

在导出的时候需要注意的是：cachedump命令每次返回的数据大小只有2M，这个是memcached的代码中写死的一个数值，除非在编译前修改。

⑥ 另一个监控工具：memcached-tool，一个perl写的工具：memcache_tool.pl。

 View Code

./memcached-tool 10.211.55.9:11212    --执行
  #  Item_Size  Max_age   Pages   Count   Full?  Evicted Evict_Time OOM
  1      96B     20157s      28  305816     yes 95431913        0    0
  2     120B     16049s      40  349520     yes 117041737        0    0
  3     152B     17574s      39  269022     yes 92679465        0    0
  4     192B     18157s      43  234823     yes 78892650        0    0
  5     240B     18722s      52  227188     yes 72908841        0    0
  6     304B     17971s      73  251777     yes 85556469        0    0
  7     384B     17881s      81  221130     yes 75596858        0    0
  8     480B     17760s      70  152880     yes 53553607        0    0
  9     600B     18167s      58  101326     yes 34647962        0    0
 10     752B     18518s      52   72488     yes 24813707        0    0
 11     944B     18903s      52   57720     yes 16707430        0    0
 12     1.2K     20475s      44   38940     yes 11592923        0    0
 13     1.4K     21220s      36   25488     yes  8232326        0    0
 14     1.8K     22710s      35   19740     yes  6232766        0    0
 15     2.3K     22027s      33   14883     yes  4952017        0    0
 16     2.8K     23139s      33   11913     yes  3822663        0    0
 17     3.5K     23495s      31    8928     yes  2817520        0    0
 18     4.4K     22611s      29    6670     yes  2168871        0    0
 19     5.5K     23652s      29    5336     yes  1636656        0    0
 20     6.9K     21245s      26    3822     yes  1334189        0    0
 21     8.7K     22794s      22    2596     yes   783620        0    0
 22    10.8K     22443s      19    1786     yes   514953        0    0
 23    13.6K     21385s      18    1350     yes   368016        0    0
 24    16.9K     23782s      16     960     yes   254782        0    0
 25    21.2K     23897s      14     672     yes   183793        0    0
 26    26.5K     27847s      13     494     yes   117535        0    0
 27    33.1K     27497s      14     420     yes    83966        0    0
 28    41.4K     28246s      14     336     yes    63703        0    0
 29    51.7K     33636s      12     228     yes    24239        0    0

解释：

列	含义
#	slab class编号
Item_Size	chunk大小
Max_age	LRU内最旧的记录的生存时间
pages	分配给Slab的页数
count	Slab内的记录数、chunks数、items数、keys数
Full?	Slab内是否含有空闲chunk
Evicted	从LRU中移除未过期item的次数
Evict_Time	最后被移除缓存的时间，0表示当前就有被移除
OOM	-M参数？