memcache运行机制（转）

Posted 2020-07-28 tingfengainiaini

网上其实有很多文章说明了memcached是如何运作的，特别是底层的内存分配是如何运作的。我参考过很多资料，比较有启发意义的有几个：

• 首先是官方的英文资料，虽然文章太多、很难看懂，我个人觉得说得也不是太清晰，不够直观（附上官方wiki地址）。还有git上memcached原作者的protocol.txt也值得一读，有时间的话，我会翻译一下。
• 其次是mixi网站的核心技术人员写的5篇全面剖析，这5篇文章写得很实用，从各方面彻底解剖了memcached，可惜的是这一系列文章对于核心的内存分配逻辑描述还不够详细（个人觉得），而且很多监控方面的guide都是基于mixi站点已经有的一套框架，对于从头开发的人来说只能是用来指明方向的，实际指导意义不大（附上我转载的帖子入口）。
• 此外还有Mike Perham的一篇博客，写得不错，很详细地举例说明了memcached内部的内存分配逻辑，以及内存浪费现象。
• 还有梁子的一篇博客，也是一篇很好的博客，从他的角度非常详细地描述了memcached内部的内存分配逻辑。我个人觉得他的文章解释的是最清楚的，虽然在文笔和错别字上实在是。。。。

1. 几个关键概念

Page为内存分配的单位
Memcached的内存分配以page为单位，默认情况下一个page是1M，可以通过-I参数修改，最小1K，最大128M。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memcached重启前不会被回收或者重新分配（page ressign已经从1.2.8版移除了）。

Slabs划分数据空间
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大小的slabs，每个slab只负责一定大小范围内的数据存储。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：slab 3只存储大小介于137 到 224 bytes的数据。如果一个数据大小为230byte的数据进行存储，它将被分配到slab 4中。每个slab负责的空间其实是不等的，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。

Chunk才是存放缓存数据的单位
Chunk是一系列固定的内存空间，这个大小就是管理它的slab的最大存放大小。例如：slab 1的所有chunk都是104byte，而slab 4的所有chunk都是280byte。chunk是memcached实际存放缓存数据的地方，因为chunk的大小固定为slab能够存放的最大值，所以所有分配给当前slab的数据都可以被chunk存下。如果实际的数据大小小于chunk的大小，空余的空间将会被闲置，这个是为了防止内存碎片而设计的。举例来说，如果chunk size是224byte，而存储的数据只有200byte，剩下的24byte将被闲置。此外，memcached允许配置的最小的chunk空间为48个字节（key+value+flags），通过-n参数可以调节这个数值。

2. 理解这三者之间的关系

要理解memcached是如何分配内存的就要从理解上述三个东西之间的关系开始。
page是memcached在收到内存不够的请求，并进行内存分配的单位。举例来说，slab2的所有空间都用完了，又有大小适合slab2的数据过来了，那么slab2就会向memcached请求新的内存空间，memcached就会划分一个page大小的内存量到slab2。page的默认大小是1M，这个数值可以通过参数-I来修改。
slab是memcached用来划定存储空间的大小概念，每当memcached启动的时候，它会按照-n参数配置的值（如果有的话，否则为默认值）来决定第一个slab的大小，然后根据-f参数的值来决定后续slab大小的增长速率，一个一个地决定后续的slab的大小，直到slab的大小达到设定的page大小（一般是1M）。
chunk是实际用来存储数据的内存空间，它的大小和包含它的slab的大小是一致的。当page大小的内存分配到slab的时候，slab会根据自身的大小将page大小的内存分割成 page / slabsize 个chunk。

memcached启动时候，slab创建以及chunk分配的细节可以参照下面的数据（使用-vv命令查看的详细内存分配过程）。

Source code

/usr/bin/memcached -u nobody -m 64 -p 11211 -l 127.0.0.1 -vv
slab class   1: chunk size        96 perslab   10922
slab class   2: chunk size       120 perslab    8738
slab class   3: chunk size       152 perslab    6898
slab class   4: chunk size       192 perslab    5461
slab class   5: chunk size       240 perslab    4369
slab class   6: chunk size       304 perslab    3449
slab class   7: chunk size       384 perslab    2730
slab class   8: chunk size       480 perslab    2184
slab class   9: chunk size       600 perslab    1747
slab class  10: chunk size       752 perslab    1394
slab class  11: chunk size       944 perslab    1110
slab class  12: chunk size      1184 perslab     885
slab class  13: chunk size      1480 perslab     708
slab class  14: chunk size      1856 perslab     564
slab class  15: chunk size      2320 perslab     451
slab class  16: chunk size      2904 perslab     361
slab class  17: chunk size      3632 perslab     288
slab class  18: chunk size      4544 perslab     230
slab class  19: chunk size      5680 perslab     184
slab class  20: chunk size      7104 perslab     147
slab class  21: chunk size      8880 perslab     118
slab class  22: chunk size     11104 perslab      94
slab class  23: chunk size     13880 perslab      75
slab class  24: chunk size     17352 perslab      60
slab class  25: chunk size     21696 perslab      48
slab class  26: chunk size     27120 perslab      38
slab class  27: chunk size     33904 perslab      30
slab class  28: chunk size     42384 perslab      24
slab class  29: chunk size     52984 perslab      19
slab class  30: chunk size     66232 perslab      15
slab class  31: chunk size     82792 perslab      12
slab class  32: chunk size    103496 perslab      10
slab class  33: chunk size    129376 perslab       8
slab class  34: chunk size    161720 perslab       6
slab class  35: chunk size    202152 perslab       5
slab class  36: chunk size    252696 perslab       4
slab class  37: chunk size    315872 perslab       3
slab class  38: chunk size    394840 perslab       2
slab class  39: chunk size    493552 perslab       2
slab class  40: chunk size    616944 perslab       1
slab class  41: chunk size    771184 perslab       1
slab class  42: chunk size   1048576 perslab       1

 

3. 举个例子来分析

首先，是memcached启动时候的情况：
商人A很有钱，他有100个大小一摸一样的仓库（100M的memcached服务器，每个page大小1M，就是一个仓库）。商人A根据自己的商品尺寸，将自己的仓库分成了42种（42个slab），定义为最小一种的仓库是专门用来存放尺寸为96的货物的（slab1大小为96个字节），然后每种仓库存放的货物大小都是之前一种的1.25倍（增长因子-f为1.25）。商人预先将42个仓库按照预定义的42种货物大小整理、装修了下（memcached启动时候的42个slab预分配、chunk分割）。1号仓库（slab1）中有10922个（1M * 1024 * 1024 / 96）货物存储空间（chunk），后续的仓库类型的装修、空间分配都以此类推。

其次，来看下slab满了的时候的情况：
商人A进了一批尺寸是150的货物，共6899个。货物按大小分配，进入3号仓库（ slab3）。因为3号仓库是仓库类型3，其大小只有6898个位置（6898个chunk），6898个货物被安置到仓库类型3（slab3）的3号仓库里去。然后还多出来一个货物没地方放，商人就安排了一个新的仓库装修成仓库类型3（1M的空间分配给slab3，大小为152个字节，含6898个chunk），然后将多余的一个货物放入到新的仓库里。

这个例子看过以后，相信大家都已经很明白前述的三个概念之间的关系以及memcached是如何分配内存空间的了。

4. memcached里的内存浪费

读过上文之后大家应该很明白memcached的内存分配方式了。memcached这样分配内存的好处是不会存在内存碎片，但是坏处也很明显，就是内存的浪费。就拿前面的商人例子来说，如果遇到一种极端的情况，所有的货物进来的都是121个字节的大小，那么按逻辑他们都会被分到slab3里面去，也就是分到大小是152的slab里，也就是说每塞进一个对象，就会有31个字节的内存空间被浪费掉了。

5. memcached的数据回收机制

memcached内部不会监视记录是否过期，而是在get时查看记录的时间戳，检查记录是否过期。 这种技术被称为lazy（惰性）expiration。因此，memcached不会在过期监视上耗费CPU时间。如果某一个item在memcached里过期了，这个东西并不会被删除，而是客户端无法再看见该记录（invisible，透明）， 其存储空间即可重复使用。一般情况下memcached会优先使用已超时的记录的空间，但即使如此，也会发生追加新记录时空间不足的情况， 此时就要使用名为 Least Recently Used（LRU）机制来分配空间。 顾名思义，这是删除“最近最少使用”的记录的机制。 因此，当memcached的内存空间不足时（无法从slab class 获取到新的空间时），就从最近未被使用的记录中搜索，并将其空间分配给新的记录。

以上，主要是memcached的内存分配利用的一些经验。当然，memcached的配置、调优、监控在这篇文章里是没有涉及的，以后有机会的话会补上。