Memcache简介 & 内存分配机制

        关于这个东西里面到底应该存放数据网上一直有很多种说法，有的说sql进行md5之后作为键值，结果作为内容存放，也有人说按照业务逻辑错放，反正是炒的不亦乐乎。

 

     本人经过将近2年的实践，最后还是觉得要根据业务逻辑来存放，不能将sql加密然后对应结果集存放。这样做，基本上无法实现数据的及时更新，只能依靠memcahce的过期时间来更新。资讯类的静态数据比较合适，不过这种网站一般会做静态化的处理，所以memcache也发挥不了太大用途。真正有用武之地的地方是社区类网站，这类网站大部分是动态数据，而且性能要求还高，所以memcahce比较合适（貌似memcache本来就为了解决这个问题才被创造出来的）。

 

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【百度文库：Memcached原理和使用详解】

【百度文库：memcached 构建分布式缓存】

        通过缓存数据库的查询结果，减少数据库的访问次数。

 

【详解分布式缓存-Memcached及分布式实现方法】

摘要：分布式缓存出于如下考虑，首先是缓存本身的水平线性扩展问题，其次是缓存大并发下的本身的性能问题，再次避免缓存的单点故障问题(多副本和副本一致性)。分布式缓存的核心技术包括首先是内存本身的管理问题，包括了内存的分配，管理和回收机制。其次是分布式管理和分布式算法，其次是缓存键值管理和路由。

 

很多人把它当作和SharedMemory那种形式的存储载体来使用，虽然memcached使用了同样的“Key=>Value”方式组织数据，但是它和共享内存、APC等本地缓存有非常大的区别。Memcached是分布式的，也就是说它不是本地的。它基于网络连接（当然它也可以使用localhost）方式完成服务，本身它是一个独立于应用的程序或守护进程（Daemon方式）。

 

Memcached使用libevent库实现网络连接服务，理论上可以处理无限多的连接，但是它和Apache不同，它更多的时候是面向稳定的持续连接的，所以它实际的并发能力是有限制的。在保守情况下memcached的最大同时连接数为200，这和Linux线程能力有关系，这个数值是可以调整的。关于libevent可以参考相关文档。 

 

Memcached内存使用方式也和APC不同。APC是基于共享内存和MMAP的，memcachd有自己的内存分配算法和管理方式，它和共享内存没有关系，也没有共享内存的限制，通常情况下，每个memcached进程可以管理2GB的内存空间，如果需要更多的空间，可以增加进程数。

 

【使用】

Memcached在很多时候都是作为数据库前端cache使用的。因为它比数据库少了很多SQL解析、磁盘操作等开销，而且它是使用内存来管理数据的，所以它可以提供比直接读取数据库更好的性能，在大型系统中，访问同样的数据是很频繁的，memcached可以大大降低数据库压力，使系统执行效率提升。另外，memcached也经常作为服务器之间数据共享的存储媒介，例如在SSO系统中保存系统单点登陆状态的数据就可以保存在memcached中，被多个应用共享。

 

 

【Memcached特点】

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

(2)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。

(3)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会自动删除不适用的缓存。

(4)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。

 

 

 

 

 

 

【Memcached分布式】
Memcached虽然称为“分布式“缓存服务器，但服务器端并没有“分布式”的功能。Memcached的分布式完全是有客户端实现的。现在我们就看一下memcached是怎么实现分布式缓存的。

例如下面假设memcached服务器有node1～node3三台，应用程序要保存键名为“tokyo”“kanagawa”“chiba”“saitama”“gunma” 的数据。
 
首先向memcached中添加“tokyo”。将“tokyo”传给客户端程序库后，客户端实现的算法就会根据“键”来决定保存数据的memcached服务器。服务器选定后，即命令它保存“tokyo”及其值。
 
同样，“kanagawa”“chiba”“saitama”“gunma”都是先选择服务器再保存。

接下来获取保存的数据。获取时也要将要获取的键“tokyo”传递给函数库。函数库通过与数据保存时相同的算法，根据“键”选择服务器。使用的算法相同，就能选中与保存时相同的服务器，然后发送get命令。只要数据没有因为某些原因被删除，就能获得保存的值。
 
这样，将不同的键保存到不同的服务器上，就实现了memcached的分布式。 memcached服务器增多后，键就会分散，即使一台memcached服务器发生故障无法连接，也不会影响其他的缓存，系统依然能继续运行。

Memcached的缓存分布策略：http://blog.csdn.net/bintime/article/details/6259133

 

【Consistent Hashing的简单说明】

Consistent Hashing如下所示：首先求出memcached服务器（节点）的哈希值，并将其配置到0～232的圆（continuum）上。 然后用同样的方法求出存储数据的键的哈希值，并映射到圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到找到的第一个服务器上。如果超过232仍然找不到服务器，就会保存到第一台memcached服务器上。

 

从上图的状态中添加一台memcached服务器。余数分布式算法由于保存键的服务器会发生巨大变化而影响缓存的命中率，但Consistent Hashing中，只有在continuum上增加服务器的地点逆时针方向的第一台服务器上的键会受到影响。

 

因此，Consistent Hashing最大限度地抑制了键的重新分布。 而且，有的Consistent Hashing的实现方法还采用了虚拟节点的思想。 使用一般的hash函数的话，服务器的映射地点的分布非常不均匀。因此，使用虚拟节点的思想，为每个物理节点（服务器） 在continuum上分配100～200个点。这样就能抑制分布不均匀，最大限度地减小服务器增减时的缓存重新分布。

 

 

【缓存策略】

当ms的hash表满了之后，新的插入数据会替代老的数据，更新的策略是LRU（最近最少使用），以及每个kv对的有效时限。Kv对存储有效时限是在mc端由app设置并作为参数传给ms的。

同时ms采用是偷懒替代法，ms不会开额外的进程来实时监测过时的kv对并删除，而是当且仅当，新来一个插入的数据，而此时又没有多余的空间放了，才会进行清除动作。

 

【缓存多副本 】

缓存多副本主要是用于在缓存数据存放时存储缓存数据的多个副本，以防止缓存失效。缓存失效发生在以下几种情况：

1.   缓存超时被移除（正常失效）

2.   缓存由于存储空间限制被移除（异常失效）

3.   由于缓存节点变化而导致的缓存失效（异常失效）

 

在缓存多副本的情况下，需要重新考虑缓存的分布式分布策略。其次缓存的多个副本实际本身是可能的多个读的节点，可以做为分布式的并行读，这是另外一个可以考虑的问题。

 

【缓存数据的一致性问题 】

缓存数据尽量只读，因此缓存本身是不适合大量写和更新操作的数据场景的。对于读的情况下，如果存在数据变化，一种是同时更新缓存和数据库。一种是直接对缓存数据进行失效处理。

 

【内存分配机制】

默认情况下，ms是用一个内置的叫“块分配器”的组件来分配内存的。舍弃C++标准的malloc/free的内存分配，为了避免内存碎片，否则操作系统要花费更多时间来查找这些逻辑上连续的内存块（实际上是断开的）。用了块分配器，ms会轮流的对内存进行大块的分配，并不断重用。当然由于块的大小各不相同，当数据大小和块大小不太相符的情况下，还是有可能导致内存的浪费。

同时，ms对key和data都有相应的限制，key的长度不能超过250字节，data也不能超过块大小的限制 --- 1MB。
        因为 mc所使用的hash算法，并不会考虑到每个ms的内存大小。理论上mc会分配概率上等量的kv对给每个ms，这样如果每个ms的内存都不太一样，那可能会导致内存使用率的降低。所以一种替代的解决方案是，根据每个ms的内存大小，找出他们的最大公约数，然后在每个ms上开n个容量=最大公约数的 instance，这样就等于拥有了多个容量大小一样的子ms，从而提供整体的内存使用率。

 

【memcache的存储机制】

memcache存储在内存中的数据并不是有多长存多长的，而是预先定义小的大小，数据优先存放在能够存放的最小的空间里，至于为什么要这样做，大家可以看看memcache的帮助。由于这个实际情况，所以我们必须考虑要存放的数据的实际大小，以免内存被浪费掉（虽然内存都白菜价了，但那也是钱啊）。memcache有个启动参数-f用来控制最小空间的大小，基础空间大小是80b，然后按照80*(1+f)^n这个公式一次计算以后的空间大小。f的默认值是0.25。所以如果存储session数据，那么这个值可以适当的改小，如果存资源类的数据，这个值可以适当的改大，不建议改的太大，那样太浪费空间。