Memecached缓存原理及基本操作分布式(一致性hash)

Posted 2020-10-04

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Memecached缓存原理及基本操作分布式(一致性hash)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

原文地址：http://lixiangfeng.com/blog/article/content/7869717 转载请标明此处，谢谢！

缓存是什么？为什么要使用缓存？

缓存，通过在内存中缓存数据和对象来减少读取数据库的次数，从而提供动态、数据库驱动网站的速度。

缓存工具有哪些？区别在哪里？

缓存工具：Memecached、redis、MongoDB

区别：

性能都比较高：总体来讲，TPS（每秒总事务量）方面redis和memcache差不多，要大于 mongodb；
操作的便利性：

a) memcache数据结构单一

b) redis丰富一些，数据操作方面，redis更好一些，较少的网络IO次数，

c) mongodb支持丰富的数据表达，索引，最类似关系型数据库，支持的查询语言非常丰富；

内存空间的大小和数据量的大小：

a) redis在2.0版本后增加了自己的VM特性，突破物理内存的限制，可以对key value设置过期时间（类似memcache）；

b) memcache可以修改最大可用内存,采用LRU算法；

c) mongoDB适合大数据量的存储，依赖操作系统VM做内存管理，吃内存也比较厉害，服务不要和别的服务在一起；

可靠性（持久化）：

a) redis支持（快照、AOF）：依赖快照进行持久化，aof增强了可靠性的同时，对性能有所影响；

b) memcache不支持，通常用在做缓存,提升性能；

c) MongoDB从1.8版本开始采用binlog方式支持持久化的可靠性

数据一致性（事务支持）：

a) Memcache 在并发场景下，用cas保证一致性；

b) redis事务支持比较弱，只能保证事务中的每个操作连续执行

c) mongoDB不支持事务

数据分析：mongoDB内置了数据分析的功能(mapreduce),其他不支持

Memecached详解

Memecached、memecached和memecache的区别：

其中首字母大写的Memcached，指的是Memcached服务器，就是独立运行Memcached的后台服务器，用于存储数据的“数据库”;
而memcached和memcache指的是Memcached的客户端。其中memcache是独立用php实现的，属于老旧的版本。而memcached是基于原生的c的libmemcached的扩展，更加完善，性能更高一些。

Memecached重点启动设置参数

–m：默认分配内存大小为64M，32位操作系统下每个进程最大分配内存为2G，所以如果需要分配更多的内存需要使用64位操作系统，但是这个不会一启动就占用，是随着需要逐步分配给各slab的。；
–I：调整分配page页的大小，默认1M，最小1K，最大128K；
–f：memcached默认情况下下一个slab的最大值为前一个的1.25倍，可通过此参数来设定；
–P：TCP端口设置，默认为11211；
–l(小写L)：监听的IP地址，如果为本机可不设置；
–d：以守护进程的方式运行；
–u：指定用户；
–M：禁止LRU策略，内存耗尽时返回错误，而不是删除项；
–c：最大同时连接数，默认为1024；
–t：线程数，默认为4；

e.g. /usr/bin/memcached -m 64 -p 11212 -u nobody -c 2048 -f 1.1 -I 1024 -d -l 10.211.55.9

Memecached内存分配策略

当第一次往memcached存储数据时, memcached会去申请1MB的内存（这1M的内存成为page） , 然后把该块内存分割为多个slab，如果可以存储这个数据的最佳的chunk大小为128B,那么memcached会把刚申请的slab以128B为单位进行分割成8192块. 当这页slab的所有chunk都被用完时,并且继续有数据需要存储在128B的chunk里面时,如果已经申请的内存小于最大可申请内存10MB 时,memcached继续去申请1M内存,继续以128B为单位进行分割再进行存储;如果已经无法继续申请内存,那么mamcached会先根据LRU 算法把队列里面最久没有被使用到的chunk进行释放后,再将该chunk用于存储.

Page为内存分配的最小单位

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参数在启动时指定。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

Slabs划分数据空间

Memecached存储数据时不是直接将数据存储到page中，而是预先划分为一系列的slab，每个slab至负责存储大于上一个slab同时又小于或等于其本身大小的数据，如slab2只负责存储105~136 byte之间大小的数据，每个slab大小是不一样的，默认下一个slab的最大值为前一个的1.25倍（-f）

技术分享

Chunk才是存放缓存数据的单位

Memecached将每个slab划分为一系列相等大小的存储空间，这个空间就叫做chuck。Chunk是Memecached的最小存储单元。同时，如果存储数据大小小于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。例如下图，chunk size是224byte，而存储的数据只有200byte，剩下的24byte将被闲置。

技术分享

综合上面的介绍，memcached的内存分配策略就是：按slab需求分配page，各slab按需使用chunk存储。

这里有几个特点要注意：Memcached分配出去的page不会被回收或者重新分配Memcached申请的内存不会被释放slab空闲的chunk不会借给任何其他slab使用

Memecached的static命令详解

使用Telnet客户端连接Memecached后可以使用static命令

命令	含义说明
stats slabs	显示各个slab的信息，包括chunk的大小、数目、使用情况等
stats items	显示各个slab中item的数目和最老item的年龄（最后一次访问距离现在的秒数）
stats detail [on\|off\|dump]	设置或者显示详细操作记录；参数为on，打开详细操作记录；参数为off，关闭详细操作记录；参数为dump，显示详细操作记录（每一个键值get、set、hit、del的次数）
stats malloc	打印内存分配信息
stats sizes	打印缓存使用信息
stats reset	重置统计信息

Memecached的分布式算法

当一台Memecached无法满足我们的需求时，我们需要配置多台Memecached服务器，这种用法就叫做Memecached的分布式，但是随之而来的问题是，假设我们有三台服务器A、B、C，需要存一个用户姓名，然后存在了服务器A上，那么当我们要取得时候如何得知我们之前存在哪里了呢？如何解决这个问题就成了Memecached分布式的重点。

通常而言我们有两种方式来实现：

哈希取摸（取余数）：

a) 简介：假设我们有3台服务器，我们将存入Memecached中的key通过哈希算法得到一个整数，然后将这个整数与3取摸，那么不管这个整数是多少，结果必然是0，1，2中的一个，那么这样一来就可以解决这个问题。

b) 缺点：当我们服务器的数量发生变化时，依靠上述算法结果将会与未变化之前不同，导致原先我们存入的数据丢失无法获取到。

c) 代码示例：

<?php
/**
 * 普通Hash分布
 */
//Hash函数
functionmHash($key){
    $md5 = substr(md5($key),0,8);
    $seed = 31;
    $hash = 0;
    for($i = 0;$i<8;$i++){
        $hash = $hash * $seed + ord($md5{$i});
        $i++;
    }
    return$hash&0x7FFFFFFF;
}
//假设有2台Memcached服务器
$servers = array(
    array(‘host‘ =>‘192.168.1.1‘,‘port‘ =>11211),
    array(‘host‘ =>‘192.168.1.1‘,‘port‘ =>11211)
);
$key = ‘MyBlog‘;
$value = ‘http://blog.phpha.com‘;
$sc = $servers[mHash($key) % 2];
$memcached = newMemcached($sc);
$memcached->set($key,$value);
?>

一致性哈希分布算法，一致性Hash分布算法分4个步骤：

a) 将一个32位整数[0 ~ (2^32-1)]想象成一个环，0 作为开头，(2^32-1) 作为结尾，当然这只是想象。

b) 通过Hash函数把KEY处理成整数。这样就可以在环上找到一个位置与之对应。

c) 把Memcached服务器群映射到环上，使用Hash函数处理服务器对应的IP地址即可。

d) 把数据映射到Memcached服务器上。查找一个KEY对应的Memcached服务器位置的方法如下：从当前KEY的位置，沿着圆环顺时针方向出发，查找位置离得最近的一台Memcached服务器，并将KEY对应的数据保存在此服务器上。

e) 代码示例：

<?php
/**
 * 一致性Hash分布
 */
classFlexiHash{
    //服务器列表
    private$serverList = array();
    //记录是否已经排序
    private$isSorted = FALSE;
    //添加一台服务器
    publicfunctionaddServer($server){
        $hash = $this->mHash($server);
        if(!isset($this->serverList[$hash])){
            $this->serverList[$hash] = $server;
        }
        //需要重新排序
        $this->isSorted = FALSE;
        returnTRUE;
    }
    //移除一台服务器
    publicfunctionremoveServer($server){
        $hash = $this->mHash($server);
        if(isset($this->serverList[$hash])){
            unset($this->serverList[$hash]);
        }
        //需要重新排序
        $this->isSorted = FALSE;
        returnTRUE;
    }
    //在当前服务器列表查找合适的服务器
    publicfunctionlookup($key){
        $hash = $this->mHash($key);
        //先进行倒序排序操作
        if(!$this->isSorted){
            krsort($this->serverList,SORT_NUMERIC);
            $this->isSorted = TRUE;
        }
        //圆环上顺时针方向查找当前KEY紧邻的一台服务器
        foreach($this->serverList as$pos =>$server){
            if($hash>= $pos)    return$server;
        }
        //没有找到则返回顺时针方向最后一台服务器
        return$this->serverList[count($this->serverList) - 1];
    }
    //Hash函数
    privatefunctionmHash($key){
        $md5 = substr(md5($key),0,8);
        $seed = 31;
        $hash = 0;
        for($i = 0;$i<8;$i++){
            $hash = $hash * $seed + ord($md5{$i});
            $i++;
        }
        return$hash&0x7FFFFFFF;
    }
}
?>