memcached全面剖析--1

淩亂°似流年 2022-08-08 17:49 204阅读 0赞

我是[mixi株式会社][mixi] 开发部系统运营组的长野。 日常负责程序的运营。从今天开始，将分几次针对最近在Web应用的可扩展性领域 的热门话题memcached，与我公司开发部研究开发组的前坂一起， 说明其内部结构和使用。

*  [ memcached是什么？][memcached]
 *  [ memcached的特征][memcached 1]
    
     *  [ 协议简单][Link 1]
     *  [ 基于libevent的事件处理][_libevent]
     *  [ 内置内存存储方式][Link 2]
     *  [ memcached不互相通信的分布式][memcached 2]
 *  [ 安装memcached][_memcached]
    
     *  [ memcached的安装][memcached 3]
     *  [ memcached的启动][memcached 4]
 *  [ 用客户端连接][Link 3]
 *  [ 使用Cache::Memcached][_Cache_Memcached]
    
     *  [ 使用Cache::Memcached连接memcached][_Cache_Memcached_memcached]
     *  [ 保存数据][Link 4]
     *  [ 获取数据][Link 5]
     *  [ 删除数据][Link 6]
     *  [ 增一和减一操作][Link 7]
 *  [ 总结][Link 8]

## memcached是什么？ ##

[memcached][memcached 5] 是以[LiveJournal][] 旗下[Danga Interactive][] 公司的[Brad Fitzpatric][] 为首开发的一款软件。现在已成为 [mixi][] 、 [hatena][] 、 [Facebook][] 、 [Vox][] 、LiveJournal等众多服务中 提高Web应用扩展性的重要因素。

许多Web应用都将数据保存到RDBMS中，应用服务器从中读取数据并在浏览器中显示。 但随着数据量的增大、访问的集中，就会出现RDBMS的负担加重、数据库响应恶化、 网站显示延迟等重大影响。

这时就该memcached大显身手了。memcached是高性能的分布式内存缓存服务器。 一般的使用目的是，通过缓存数据库查询结果，减少数据库访问次数，以提高动态Web应用的速度、 提高可扩展性。

![memcached-0001-01.png][]

图1 一般情况下memcached的用途

## memcached的特征 ##

memcached作为高速运行的分布式缓存服务器，具有以下的特点。

*  协议简单
 *  基于libevent的事件处理
 *  内置内存存储方式
 *  memcached不互相通信的分布式

### 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， 而使用简单的基于文本行的协议。因此，通过telnet 也能在memcached上保存数据、取得数据。下面是例子。

$ telnet localhost 11211
    
    Trying 127.0.0.1...
    
    Connected to localhost.localdomain (127.0.0.1).
    
    Escape character is '^]'.
    
    set foo 0 0 3     （保存命令）
    
    bar               （数据）
    
    STORED            （结果）
    
    get foo           （取得命令）
    
    VALUE foo 0 3     （数据）
    
    bar               （数据）

协议文档位于memcached的源代码内，也可以参考以下的URL。

*  [http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/doc/protocol.txt][http_code.sixapart.com_svn_memcached_trunk_server_doc_protocol.txt]

### 基于libevent的事件处理 ###

libevent是个程序库，它将Linux的epoll、BSD类操作系统的kqueue等事件处理功能 封装成统一的接口。即使对服务器的连接数增加，也能发挥O(1)的性能。 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。 关于事件处理这里就不再详细介绍，可以参考Dan Kegel的The C10K Problem。

*  **libevent** : [http://www.monkey.org/~provos/libevent/][http_www.monkey.org_provos_libevent]
 *  **The C10K Problem** : [http://www.kegel.com/c10k.html][http_www.kegel.com_c10k.html]

### 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，内容容量达到指定值之后，就基于LRU(Least Recently Used)算法自动删除不使用的缓存。 memcached本身是为缓存而设计的服务器，因此并没有过多考虑数据的永久性问题。 关于内存存储的详细信息，本连载的第二讲以后前坂会进行介绍，请届时参考。

### memcached不互相通信的分布式 ###

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。那么，怎样进行分布式呢？ 这完全取决于客户端的实现。本连载也将介绍memcached的分布式。

![memcached-0001-02.png][]

图2 memcached的分布式

接下来简单介绍一下memcached的使用方法。

## 安装memcached ##

memcached的安装比较简单，这里稍加说明。

memcached支持许多平台。

*  Linux
 *  FreeBSD
 *  Solaris (memcached 1.2.5以上版本)
 *  Mac OS X

另外也能安装在Windows上。这里使用Fedora Core 8进行说明。

### memcached的安装 ###

运行memcached需要本文开头介绍的libevent库。Fedora 8中有现成的rpm包， 通过yum命令安装即可。

$ sudo yum install libevent libevent-devel

memcached的源代码可以从memcached网站上下载。本文执笔时的最新版本为1.2.5。 Fedora 8虽然也包含了memcached的rpm，但版本比较老。因为源代码安装并不困难， 这里就不使用rpm了。

*  **下载memcached** ：[http://www.danga.com/memcached/download.bml][http_www.danga.com_memcached_download.bml]

memcached安装与一般应用程序相同，configure、make、make install就行了。

$ wget http://www.danga.com/memcached/dist/memcached-1.2.5.tar.gz
    
    $ tar zxf memcached-1.2.5.tar.gz
    
    $ cd memcached-1.2.5
    
    $ ./configure
    
    $ make
    
    $ sudo make install

默认情况下memcached安装到/usr/local/bin下。

### memcached的启动 ###

从终端输入以下命令，启动memcached。

$ /usr/local/bin/memcached -p 11211 -m 64m -vv
    
    slab class   1: chunk size     88 perslab 11915
    
    slab class   2: chunk size    112 perslab  9362
    
    slab class   3: chunk size    144 perslab  7281
    
    中间省略
    
    slab class  38: chunk size 391224 perslab     2
    
    slab class  39: chunk size 489032 perslab     2
    
    <23 server listening
    
    <24 send buffer was 110592, now 268435456
    
    <24 server listening (udp)
    
    <24 server listening (udp)
    
    <24 server listening (udp)
    
    <24 server listening (udp)

这里显示了调试信息。这样就在前台启动了memcached，监听TCP端口11211 最大内存使用量为64M。调试信息的内容大部分是关于存储的信息， 下次连载时具体说明。

作为daemon后台启动时，只需

$ /usr/local/bin/memcached -p 11211 -m 64m -d

这里使用的memcached启动选项的内容如下。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>选项</td> 
   <td>说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-p</td> 
   <td>使用的TCP端口。默认为11211</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-m</td> 
   <td>最大内存大小。默认为64M</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-vv</td> 
   <td>用very vrebose模式启动，调试信息和错误输出到控制台</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-d</td> 
   <td>作为daemon在后台启动</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

上面四个是常用的启动选项，其他还有很多，通过

$ /usr/local/bin/memcached -h

命令可以显示。许多选项可以改变memcached的各种行为， 推荐读一读。

## 用客户端连接 ##

许多语言都实现了连接memcached的客户端，其中以Perl、PHP为主。 仅仅memcached网站上列出的语言就有

*  Perl
 *  PHP
 *  Python
 *  Ruby
 *  C\#
 *  C/C++
 *  Lua

等等。

*  **memcached客户端API** ：[http://www.danga.com/memcached/apis.bml][http_www.danga.com_memcached_apis.bml]

这里介绍通过mixi正在使用的Perl库链接memcached的方法。

## 使用Cache::Memcached ##

Perl的memcached客户端有

*  Cache::Memcached
 *  Cache::Memcached::Fast
 *  Cache::Memcached::libmemcached

等几个CPAN模块。这里介绍的Cache::Memcached是memcached的作者Brad Fitzpatric的作品， 应该算是memcached的客户端中应用最为广泛的模块了。

*  **Cache::Memcached - search.cpan.org** : [http://search.cpan.org/dist/Cache-Memcached/][http_search.cpan.org_dist_Cache-Memcached]

### 使用Cache::Memcached连接memcached ###

下面的源代码为通过Cache::Memcached连接刚才启动的memcached的例子。

#!/usr/bin/perl
    
    
    
    use strict;
    
    use warnings;
    
    use Cache::Memcached;
    
    
    
    my $key = "foo";
    
    my $value = "bar";
    
    my $expires = 3600; # 1 hour
    
    my $memcached = Cache::Memcached->new({
      
    
        servers => ["127.0.0.1:11211"],
    
        compress_threshold => 10_000
    
    });
    
    
    
    $memcached->add($key, $value, $expires);
    
    my $ret = $memcached->get($key);
    
    print "$ret/n";

在这里，为Cache::Memcached指定了memcached服务器的IP地址和一个选项，以生成实例。 Cache::Memcached常用的选项如下所示。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>选项</td> 
   <td>说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>servers</td> 
   <td>用数组指定memcached服务器和端口</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>compress_threshold</td> 
   <td>数据压缩时使用的值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>namespace</td> 
   <td>指定添加到键的前缀</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

另外，Cache::Memcached通过Storable模块可以将Perl的复杂数据序列化之后再保存， 因此散列、数组、对象等都可以直接保存到memcached中。

### 保存数据 ###

向memcached保存数据的方法有

*  add
 *  replace
 *  set

它们的使用方法都相同：

my $add = $memcached->add( '键', '值', '期限' );
    
    my $replace = $memcached->replace( '键', '值', '期限' );
    
    my $set = $memcached->set( '键', '值', '期限' );

向memcached保存数据时可以指定期限(秒)。不指定期限时，memcached按照LRU算法保存数据。 这三个方法的区别如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>选项</td> 
   <td>说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>add</td> 
   <td>仅当存储空间中不存在键相同的数据时才保存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>replace</td> 
   <td>仅当存储空间中存在键相同的数据时才保存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>set</td> 
   <td>与add和replace不同，无论何时都保存</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 获取数据 ###

获取数据可以使用get和get\_multi方法。

my $val = $memcached->get('键');
    
    my $val = $memcached->get_multi('键1', '键2', '键3', '键4', '键5');

一次取得多条数据时使用get\_multi。get\_multi可以非同步地同时取得多个键值， 其速度要比循环调用get快数十倍。

### 删除数据 ###

删除数据使用delete方法，不过它有个独特的功能。

$memcached->delete('键', '阻塞时间(秒)');

删除第一个参数指定的键的数据。第二个参数指定一个时间值，可以禁止使用同样的键保存新数据。 此功能可以用于防止缓存数据的不完整。但是要注意，**set函数忽视该阻塞，照常保存数据**

### 增一和减一操作 ###

可以将memcached上特定的键值作为计数器使用。

my $ret = $memcached->incr('键');
    
    $memcached->add('键', 0) unless defined $ret;

增一和减一是原子操作，但未设置初始值时，不会自动赋成0。因此， 应当进行错误检查，必要时加入初始化操作。而且，服务器端也不会对 超过2 32 时的行为进行检查。

## 总结 ##

这次简单介绍了memcached，以及它的安装方法、Perl客户端Cache::Memcached的用法。 只要知道，memcached的使用方法十分简单就足够了。

下次由前坂来说明memcached的内部结构。了解memcached的内部构造， 就能知道如何使用memcached才能使Web应用的速度更上一层楼。 欢迎继续阅读下一章。

[mixi]: http://mixi.jp/
[memcached]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_0
[memcached 1]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_1
[Link 1]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_2
[_libevent]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_3
[Link 2]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_4
[memcached 2]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_5
[_memcached]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_6
[memcached 3]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_7
[memcached 4]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_8
[Link 3]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_9
[_Cache_Memcached]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_10
[_Cache_Memcached_memcached]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_11
[Link 4]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_12
[Link 5]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_13
[Link 6]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_14
[Link 7]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_15
[Link 8]: http://tech.idv2.com/2008/07/10/memcached-001/#content_2_16
[memcached 5]: http://www.danga.com/memcached/
[LiveJournal]: http://www.livejournal.com/
[Danga Interactive]: http://www.danga.com/
[Brad Fitzpatric]: http://www.bradfitz.com/
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[Facebook]: http://www.facebook.com/
[Vox]: http://www.vox.com/
[memcached-0001-01.png]: /images/20220731/c04e147497ad4c1dba679cec078b71b6.png
[http_code.sixapart.com_svn_memcached_trunk_server_doc_protocol.txt]: http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/doc/protocol.txt
[http_www.monkey.org_provos_libevent]: http://www.monkey.org/%7Eprovos/libevent/
[http_www.kegel.com_c10k.html]: http://www.kegel.com/c10k.html
[memcached-0001-02.png]: /images/20220731/835f584555984247894d8b110a7d2c1f.png
[http_www.danga.com_memcached_download.bml]: http://www.danga.com/memcached/download.bml
[http_www.danga.com_memcached_apis.bml]: http://www.danga.com/memcached/apis.bml
[http_search.cpan.org_dist_Cache-Memcached]: http://search.cpan.org/dist/Cache-Memcached/