分布式缓存系统 Memcached 数据存储slab与hashtable

缓存数据以item为基本单元，以双链表形式存放在对应级别大小的slabclass结构的chunk中。同时该item还存放在链式hashtable中bucket中，用于提供快速查找的索引。

首先是理解缓存的基本数据单元item结构：

typedef struct _stritem {
    struct _stritem *next;    //在slab中的双链表后向指针
    struct _stritem *prev;    //在slab中的双向链表的前向指针
    struct _stritem *h_next;  //指向hash表该bucket中的该item的下一项  /* hash chain next */
    rel_time_t      time;      //最近访问时间戳 /* least recent access */
    rel_time_t      exptime;    //过期时间/* expire time */
    int            nbytes;    //数据大小/* size of data */
    unsigned short  refcount;    //引用计数
    uint8_t        nsuffix;    /* length of flags-and-length string */
    uint8_t        it_flags;  /* ITEM_* above */
    uint8_t        slabs_clsid; //所在的slab，该slab在slabclass数组中的下标/* which slab class we're in */
    uint8_t        nkey;      //key的长度/* key length, w/terminating null and padding */
    /* this odd type prevents type-punning issues when we do
    * the little shuffle to save space when not using CAS. */
    union {
        uint64_t cas;
        char end;
    } data[];//真实数据
    /* if it_flags & ITEM_CAS we have 8 bytes CAS */
    /* then null-terminated key */
    /* then " flags length\r\n" (no terminating null) */
    /* then data with terminating \r\n (no terminating null; it's binary!) */
} item;

item的结构图如下：

item存放的数据结构slabclass:

//slabclass结构
typedef struct {
    unsigned int size;    //该slab的每个chunk的大小 /* sizes of items */
    unsigned int perslab;  //能存放的size大小的chunk的数量/* how many items per slab */

void *slots;          /* 回收来的item链表，
        当分配出去的item回收时不时将空间还给slab，
        而是直接把该slab从chunk双向链表中删除，
        挂到slots链表的尾部，以供循环利用，
        且在下次使用时不需要再初始化该item结构，
        而是直接更改其各属性值即可list of item ptrs */
    unsigned int sl_curr;  /* 表示当前slots链表中
                            有多少个回收而来的空闲 item.
        total free items in list */

unsigned int slabs;    //已分配的当前种类slab的数量/* how many slabs were allocated for this class */

void **slab_list;      /* 初始时, memcached 为每个级别的slabclass 分配一个slab,
       当这个 slab 内存块使用完后,
       memcached 就分配一个新的 slab,
       所以 slabclass 可以拥有多个同一级别的slab,
       这些 slab 就是通过 slab_list 数组来管理的, 
       slab. array of slab pointers */
    unsigned int list_size; /* 表示当前 slabclass 有多少个slab
       size of prev array */

unsigned int killing;  /* index+1 of dying slab, or zero if none */
    size_t requested;  /* The number of requested bytes */
} slabclass_t;

static slabclass_t slabclass[MAX_NUMBER_OF_SLAB_CLASSES];//slab数组（其中slab按其chunk从小到大排列）

(注意：同一级别的slabclas可能包括多个该级别的slab，维护在指针数组slab_list中)

item在slabclass中存放的结构示意图：

在 slabclass 内, 只有最后一个 slab 存在空闲的内存, 其它 slab 的 chunk 都分配出去了。

end_page_ptr：指向最后一个 slab 中的空闲内存块

end_page_free ：表示最后一个 slab 中还剩下多少个空闲 chunk.  图中绿色部分的 chunk 表示空闲 chunk。

每个slabclass维护一个双向链表，所有分配出去的item按照最近访问时间依次放到该链表中，该链表也就相当于LRU队列。

所有slabclass的链表头 尾分表保存在*heads、 *tails两个数组中：

static item *heads[LARGEST_ID];//chunk链表头指针数组：slabclass数组中各级别slabclass的chunk链表头 组成的数组
static item *tails[LARGEST_ID];//chunk链表尾指针数组：slabclass数组中各级别slabclass的chunk链表尾 组成的数组

item空间分配策略：

** 每次需要为新的item分配空间时，首先根据该item的大小，计算出对应级别的slabclass的id，然后在slabclass数组中找到该slabclass。

**  定位到对应slabclass后，首先检查LRU队列的最后一个chunk是否过期，过期则分给用户使用；否则到item回收链表slots中查空闲的chunk；没有回收空闲的chunk则从slab空闲（未分配过得）的chunk中分配；如果没有，则LRU算法在已分配chunk的双向链表中从    尾部向前查找能够释放（最久未访问）的item，依次为新item取得空间。

** 当删除某item时，并不将该chunk空间归还给对应的slab，而是从该slab的已分配chunk链表中删除该chunk ,然后将该chunk挂到回收链表slots的头部，以供循环利用，    并且该chunk中的item也不会释放，直到该chunk被重新利用时直接更新该item的各项属性值。（不用每次都初始化item结构，提高效率！）

链式HsahTable:

同时，slab的chunk链表中的item也被存放到hashTable中。 当需要查找给定key的item时，首先在哈希表中hash到该key对应的item，然后利用hashtable中的item信息得到该item在slabclass中索引位置。

使用了两张hashtable，一个主表，一个“原表”。正常情况下，操作都是在主表中进行的；当正在扩容时，首先在原表中进行操作。

当表中item数量大于表bucket节点数的1.5倍时开始扩容为原来的2倍，采用逐步扩容方式，每次迁移的数量可以设置。  主表与原表是动态切换的，当扩容开始的时候，把主表的类容复制到原表中，让原表替换主表暂时接受操作，而主表容量扩大为原来的两倍，然后逐步从原表中将数据hash到扩容后的主表中，当数据全部迁移完成，所有的操作又回到主表中进行了。

这与Redis中的两张hashtable的操作是一致的。