分布式缓存——memcache原理

Posted 2020-08-08

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了分布式缓存——memcache原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

内容：1.什么是Memcached

2.MemCache和MemCached的区别

3.memcache访问模型

4.Memcached作为高速运行的分布式缓存服务器具有以下特点

5.Memcached的内存算法

6.Memcached的缓存策略

7.分布式算法(Consistent Hashing)

8. MemCache的特性和限制总结

1.什么是Memcached
MemCache是一个自由、源码开放、高性能、分布式的分布式内存对象缓存系统，用于动态Web应用以减轻数据库的负载。它通过在内存中缓存数据和对象来减少读取数据库的次数，从而提高了网站访问的速度。 MemCaChe是一个存储键值对的HashMap，在内存中对任意的数据（比如字符串、对象等）所使用的key-value存储，数据可以来自数据库调用、API调用，或者页面渲染的结果。MemCache设计理念就是小而强大，它简单的设计促进了快速部署、易于开发并解决面对大规模的数据缓存的许多难题，而所开放的API使得MemCache能用于Java、C/C++/C#、Perl、Python、php、Ruby等大部分流行的程序语言。

许多Web 应用程序都将数据保存到RDBMS中，应用服务器从中读取数据并在浏览器中显示。但随着数据量的增大，访问的集中，就会出现REBMS的负担加重，数据库响应恶化，网站显示延迟等重大影响。Memcached是高性能的分布式内存缓存服务器。一般的使用目的是通过缓存数据库查询结果，减少数据库的访问次数，以提高动态Web 应用的速度、提高扩展性。

2.MemCache和MemCached的区别：

1、MemCache是项目的名称

2、MemCached是MemCache服务器端可以执行文件的名称

3.memcache访问模型

同时基于这张图，理一下MemCache一次写缓存的流程：

1、应用程序输入需要写缓存的数据

2、API将Key输入路由算法模块，路由算法根据Key和MemCache集群服务器列表得到一台服务器编号

3、由服务器编号得到MemCache及其的ip地址和端口号

4、API调用通信模块和指定编号的服务器通信，将数据写入该服务器，完成一次分布式缓存的写操作

读缓存和写缓存一样，只要使用相同的路由算法和服务器列表，只要应用程序查询的是相同的Key，MemCache客户端总是访问相同的客户端去读取数据，只要服务器中还缓存着该数据，就能保证缓存命中。

这种MemCache集群的方式也是从分区容错性的方面考虑的，假如Node2宕机了，那么Node2上面存储的数据都不可用了，此时由于集群中Node0和Node1还存在，下一次请求Node2中存储的Key值的时候，肯定是没有命中的，这时先从数据库中拿到要缓存的数据，然后路由算法模块根据Key值在Node0和Node1中选取一个节点，把对应的数据放进去，这样下一次就又可以走缓存了，这种集群的做法很好，但是缺点是成本比较大。

4.Memcached作为高速运行的分布式缓存服务器具有以下特点。

协议简单：memcached的服务器客户端通信并不使用复杂的MXL等格式，而是使用简单的基于文本的协议。

基于libevent的事件处理：libevent是个程序库，他将Linux 的epoll、BSD类操作系统的kqueue等时间处理功能封装成统一的接口。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。

内置内存存储方式：为了提高性能，memcached中保存的数据都存储在memcached内置的内存存储空间中。由于数据仅存在于内存中，因此重启memcached，重启操作系统会导致全部数据消失。另外，内容容量达到指定的值之后memcached回自动删除不适用的缓存。

Memcached不互通信的分布式：memcached尽管是“分布式”缓存服务器，但服务器端并没有分布式功能。各个memcached不会互相通信以共享信息。他的分布式主要是通过客户端实现的。

    5.Memcached的内存算法：
        Memcached利用slab allocation机制来分配和管理内存，它按照预先规定的大小，将分配的内存分割成特定长度的内存块，再把尺寸相同的内存块分成组，数据在存放时，根据键值大小去匹配slab大小，找就近的slab存放，所以存在空间浪费现象。
      传统的内存管理方式是，使用完通过malloc分配的内存后通过free来回收内存，这种方式容易产生内存碎片并降低操作系统对内存的管理效率。

Memcached根据收到的数据的大小，选择最合适数据大小的Slab (图2) 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。

6.Memcached的缓存策略：
Memcached的缓存策略是LRU（最近最少使用）加上到期失效策略。当你在memcached内存储数据项时，你有可能会指定它在缓存的失效时间，默认为永久。当memcached服务器用完分配的内时，失效的数据被首先替换，然后也是最近未使用的数据。在LRU中，memcached使用的是一种Lazy Expiration策略，自己不会监控存入的key/vlue对是否过期，而是在获取key值时查看记录的时间戳，检查key/value对空间是否过期，这样可减轻服务器的负载。

7.分布式算法(Consistent Hashing)：

当向memcached集群存入/取出key/value时，memcached客户端程序根据一定的算法计算存入哪台服务器，然后再把key/value值存到此服务器中。也就是说，存取数据分二步走，第一步，选择服务器，第二步存取数据。

选择服务器算法有两种，一种是根据余数来计算分布，另一种是根据散列算法来计算分布。
    余数算法：
    先求得键的整数散列值，再除以服务器台数，根据余数确定存取服务器，这种方法计算简单，高效，但在memcached服务器增加或减少时，几乎所有的缓存都会失效。
    散列算法：
    先算出memcached服务器的散列值，并将其分布到0到2的32次方的圆上，然后用同样的方法算出存储数据的键的散列值并映射至圆上，最后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到查找到的第一个服务器上，如果超过2的32次方，依然找不到服务器，就将数据保存到第一台memcached服务器上。如果添加了一台memcached服务器，只在圆上增加服务器的逆时针方向的第一台服务器上的键会受到影响。