memcached学习（5）. memcached的应用和兼容程序

mixi在提供服务的初期阶段就使用了memcached。随着网站访问量的急剧增加，单纯为数据库添加slave已无法满足需要，因此引入了memcached。此外，我们也从增加可扩展性的方面进行了验证，证明了memcached的速度和稳定性都能满足需要。
现在，memcached已成为mixi服务中非常重要的组成部分。

图1 现在的系统组件

服务器配置和数量

mixi使用了许许多多服务器，如数据库服务器、应用服务器、图片服务器、反向代理服务器等。单单memcached就有将近200台服务器在运行。 memcached服务器的典型配置如下：

CPU：Intel Pentium 4 2.8GHz
内存：4GB
硬盘：146GB SCSI
操作系统：Linux（x86_64）

这些服务器以前曾用于数据库服务器等。随着CPU性能提升、内存价格下降，我们积极地将数据库服务器、应用服务器等换成了性能更强大、内存更多的服务器。这样，可以抑制mixi整体使用的服务器数量的急剧增加，降低管理成本。由于memcached服务器几乎不占用CPU，就将换下来的服务器用作memcached服务器了。

memcached进程

每台memcached服务器仅启动一个memcached进程。分配给memcached的内存为3GB，启动参数如下：

/usr/bin/memcached -p 11211 -u nobody -m 3000 -c 30720

由于使用了x86_64的操作系统，因此能分配2GB以上的内存。32位操作系统中，每个进程最多只能使用2GB内存。也曾经考虑过启动多个分配2GB以下内存的进程，但这样一台服务器上的TCP连接数就会成倍增加，管理上也变得复杂，所以mixi就统一使用了64位操作系统。

另外，虽然服务器的内存为4GB，却仅分配了3GB，是因为内存分配量超过这个值，就有可能导致内存交换(swap)。连载的第2次中前坂讲解过了memcached的内存存储“slab allocator”，当时说过，memcached启动时
指定的内存分配量是memcached用于保存数据的量，没有包括“slab allocator”本身占用的内存、以及为了保存数据而设置的管理空间。因此，memcached进程的实际内存分配量要比指定的容量要大，这一点应当注意。

mixi保存在memcached中的数据大部分都比较小。这样，进程的大小要比指定的容量大很多。因此，我们反复改变内存分配量进行验证，确认了3GB的大小不会引发swap，这就是现在应用的数值。

memcached使用方法和客户端

现在，mixi的服务将200台左右的memcached服务器作为一个pool使用。每台服务器的容量为3GB，那么全体就有了将近600GB的巨大的内存数据库。客户端程序库使用了本连载中多次提到车的Cache::Memcached::Fast，与服务器进行交互。当然，缓存的分布式算法使用的是第4次介绍过的
Consistent Hashing算法。

Cache::Memcached::Fast - search.cpan.org

应用层上memcached的使用方法由开发应用程序的工程师自行决定并实现。但是，为了防止车轮再造、防止Cache::Memcached::Fast上的教训再次发生，我们提供了Cache::Memcached::Fast的wrap模块并使用。

通过Cache::Memcached::Fast维持连接

Cache::Memcached的情况下，与memcached的连接（文件句柄）保存在Cache::Memcached包内的类变量中。在mod_perl和FastCGI等环境下，包内的变量不会像CGI那样随时重新启动，而是在进程中一直保持。其结果就是不会断开与memcached的连接，减少了TCP连接建立时的开销，同时也能防止短时间内反复进行TCP连接、断开而导致的TCP端口资源枯竭。

但是，Cache::Memcached::Fast没有这个功能，所以需要在模块之外将Cache::Memcached::Fast对象保持在类变量中，以保证持久连接。

package Gihyo::Memcached;

use strict;
use warnings;
use Cache::Memcached::Fast;

my @server_list = qw/192.168.1.1:11211 192.168.1.1:11211/;
my $fast;  ## 用于保持对象

sub new {
    my $self  = bless {}, shift;
    if ( !$fast ) {
        $fast = Cache::Memcached::Fast->new({ servers => \@server_list });
    }
    $self->{_fast} = $fast;
    return $self;
}

sub get {
   my $self = shift;
   $self->{_fast}->get(@_);
}

上面的例子中，Cache::Memcached::Fast对象保存到类变量$fast中。

公共数据的处理和rehash

诸如mixi的主页上的新闻这样的所有用户共享的缓存数据、设置信息等数据，会占用许多页，访问次数也非常多。在这种条件下，访问很容易集中到某台memcached服务器上。访问集中本身并不是问题，但是一旦访问集中的那台服务器发生故障导致memcached无法连接，就会产生巨大的问题。

连载的第4次中提到，Cache::Memcached拥有rehash功能，即在无法连接保存数据的服务器的情况下，会再次计算hash值，连接其他的服务器。

但是，Cache::Memcached::Fast没有这个功能。不过，它能够在连接服务器失败时，短时间内不再连接该服务器的功能。

my $fast = Cache::Memcached::Fast->new({
    max_failures     => 3,
    failure_timeout  => 1
});

在failure_timeout秒内发生max_failures以上次连接失败，就不再连接该memcached服务器。我们的设置是1秒钟3次以上。

此外，mixi还为所有用户共享的缓存数据的键名设置命名规则，符合命名规则的数据会自动保存到多台memcached服务器中，取得时从中仅选取一台服务器。创建该函数库后，就可以使memcached服务器故障不再产生其他影响。

memcached应用经验

到此为止介绍了memcached内部构造和函数库，接下来介绍一些其他的应用经验。

通过daemontools启动

通常情况下memcached运行得相当稳定，但mixi现在使用的最新版1.2.5 曾经发生过几次memcached进程死掉的情况。架构上保证了即使有几台memcached故障也不会影响服务，不过对于memcached进程死掉的服务器，只要重新启动memcached，就可以正常运行，所以采用了监视memcached进程并自动启动的方法。于是使用了daemontools。

daemontools是qmail的作者DJB开发的UNIX服务管理工具集，其中名为supervise的程序可用于服务启动、停止的服务重启等。

daemontools

这里不介绍daemontools的安装了。mixi使用了以下的run脚本来启动memcached。

#!/bin/sh

if [ -f /etc/sysconfig/memcached ];then
        . /etc/sysconfig/memcached
fi

exec 2>&1
exec /usr/bin/memcached -p $PORT -u $USER  -m $CACHESIZE -c $MAXCONN $OPTIONS

监视

mixi使用了名为“nagios”的开源监视软件来监视memcached。

Nagios: Home

在nagios中可以简单地开发插件，可以详细地监视memcached的get、add等动作。不过mixi仅通过stats命令来确认memcached的运行状态。

define command {
command_name                   check_memcached
command_line                   $USER1$/check_tcp -H $HOSTADDRESS$ -p 11211 -t 5 -E -s 'stats\r\nquit\r\n' -e 'uptime' -M crit
}

此外，mixi将stats目录的结果通过rrdtool转化成图形，进行性能监视，并将每天的内存使用量做成报表，通过邮件与开发者共享。

memcached的性能

连载中已介绍过，memcached的性能十分优秀。我们来看看mixi的实际案例。这里介绍的图表是服务所使用的访问最为集中的memcached服务器。

图2 请求数

图3 流量

图4 TCP连接数

从上至下依次为请求数、流量和TCP连接数。请求数最大为15000qps，流量达到400Mbps，这时的连接数已超过了10000个。该服务器没有特别的硬件，就是开头介绍的普通的memcached服务器。此时的CPU利用率为：

图5 CPU利用率

可见，仍然有idle的部分。因此，memcached的性能非常高，可以作为Web应用程序开发者放心地保存临时数据或缓存数据的地方。

兼容应用程序

memcached的实现和协议都十分简单，因此有很多与memcached兼容的实现。一些功能强大的扩展可以将memcached的内存数据写到磁盘上，实现数据的持久性和冗余。连载第3次介绍过，以后的memcached的存储层将变成可扩展的（pluggable），逐渐支持这些功能。

这里介绍几个与memcached兼容的应用程序。

repcached: 为memcached提供复制(replication)功能的patch。
Flared: 存储到QDBM。同时实现了异步复制和fail over等功能。
memcachedb: 存储到BerkleyDB。还实现了message queue。
Tokyo Tyrant: 将数据存储到Tokyo Cabinet。不仅与memcached协议兼容，还能通过HTTP进行访问。

Tokyo Tyrant案例

mixi使用了上述兼容应用程序中的Tokyo Tyrant。Tokyo Tyrant是平林开发的 Tokyo Cabinet DBM的网络接口。它有自己的协议，但也拥有memcached兼容协议，也可以通过HTTP进行数据交换。Tokyo Cabinet虽然是一种将数据写到磁盘的实现，但速度相当快。

mixi并没有将Tokyo Tyrant作为缓存服务器，而是将它作为保存键值对组合的DBMS来使用。主要作为存储用户上次访问时间的数据库来使用。它与几乎所有的mixi服务都有关，每次用户访问页面时都要更新数据，因此负荷相当高。MySQL的处理十分笨重，单独使用memcached保存数据又有可能会丢失数据，所以引入了Tokyo Tyrant。但无需重新开发客户端，只需原封不动地使用Cache::Memcached::Fast即可，这也是优点之一。关于Tokyo Tyrant的详细信息，请参考本公司的开发blog。

总结

到本次为止，“memcached全面剖析”系列就结束了。我们介绍了memcached的基础、内部结构、分散算法和应用等内容。读完后如果您能对memcached产生兴趣，就是我们的荣幸。关于mixi的系统、应用方面的信息，请参考本公司的开发blog。
感谢您的阅读。