memcached的大key存储与slab钙化问题踩坑

青旅半醒 2024-03-17 13:36 38阅读 0赞

### 背景 ###

线上启用memcached(以下简称mc)作为热点缓存组件已经多年，其稳定性和性能都经历住了考验，这里记录一下踩过的几个坑。

### 大key存储 ###

某年某月某日，观察mysql的读库CPU占比有些异常偏高，去check慢查询log，发现部分应有缓存的慢sql居然存在几秒执行一次情况，不符合缓存数小时的代码逻辑。  
查看业务log在每次查询sql之后也确实有将结果set至mc之中：

# python代码
    mc.set(cache_key, v, 3600)

而set返回的取值却是False而非正常的True，很快想到mc著名的只可存储不超过1MB大小的key限制，在以往的业务场景中没有出现过这么大的key，所以一直没达到过这个限制，直到这一次撞上。  
要解决超过1MB大小的key存储问题有以下几个思路：

1.  想办法将cache结果变小
2.  换个cache组件
3.  mc >=1.4.2 版本其实已经支持命令行参数-I指定最大key大小了，线上使用版本支持最小1KB最大128MB的设置
4.  将大key拆分为几个子key，通过set\_multi和get\_multi实现统一的读写。

无论是通过2或3都可以支持更大的key存储，但是更大的key存储对于读写传输其实都更不友好，而思路4需要手动拆分、组装子key略显麻烦，所以优先从思路1着手，意外发现python使用的memcached库其实提供了key压缩功能，在写入时指定min\_compress\_len参数即可：

mc.set(key, v, time=expires, min_compress_len=1024)

如上表示写入的v对象序列化大小若>=1024则启用压缩存储，库底层会将其压缩后再写入mc，读取时库底层也会自动解压缩后再返回，业务层可以说完全无感，并且压缩后还能极大降低存储和传输成本。  
最终通过min\_compress\_len参数启用大key压缩后，原1MB大小的key直瘦身了4/5。

### slab钙化 ###

启用大key压缩后mc度过了好一段岁月静好的日子，直到某一天...

#### 大规模key分布变动导致的钙化 ####

查看zabbix上的相关监控，发现mc的key查询miss比例居然接近50%！这个缓存命中率着实让人深思，进一步check后发现同时异常的指标还有evicted items数，日常取值居然可以达到数百/S的级别。  
mc官方文档对evicted items的定义如下：

evicted                Number of times an item had to be evicted from the LRU before it expired.

即存储的key在其实际过期前被从LRU强制清理了，这一般说明mc剩余可分配内存不足了，所以新key写入时只能先从LRU淘汰一部分key腾出空间后再给新key使用，但是查看mc的内存使用率，明明还有超过>2GB的剩余内存可用。  
最终调查后真相大白：mc明明剩余大量内存可用，写入新key却不断导致旧key被提前清除的现象其实是mc特有的slab钙化问题所致：

Memcached采用LRU(Least Recent Used）淘汰算法，在内存容量满时踢出过期失效和LRU数据，为新数据腾出内存空间。不过该淘汰算法在内存空间不足以分配新的Slab情况下，这时只会在同一类Slab内部踢出数据。即当某个Slab容量满，且不能在内存足够分配新的Slab，只会在相同Slab内部踢出数据，而不会挪用或者踢出其他Slab的数据。这种局部剔除数据的淘汰算法带来一个问题：Slab钙化。

简单来说memcached 使用的不同尺寸slab一旦分配完成就不可变了，所以如果某类slab已用尽，即便其他slab剩余大量空闲内存也无法再对其加以利用。  
业务这边之前对使用mc的部分缓存key进行了整合优化，在优化之前单mc的全部5GB内存均已根据key存储情况分配给了特定的slab，而优化之后大大降低了小key的数量，取而代之的是相对更紧凑的大key，key的数量和大小分布都发生了显著的变化，于是原有的适用于大量小key的slab分配就无法满足优化后的key存储了。  
最终体现为，中等大小的slab内存已被耗尽，每次写入新key只能先通过LRU淘汰部分旧key腾出空间，体现为evicted数异常偏高，并且直接影响了缓存命中率，而小尺寸的slab却长期大量空闲，体现为mc内存使用剩余空间一直充足。  
网上检索解决钙化问题有三个办法：

1) 重启Memcached实例，简单粗暴，启动后重新分配Slab class，但是如果是单点可能造成大量请求访问数据库，出现雪崩现象，冲跨数据库。
    2) 随机过期：过期淘汰策略也支持淘汰其他slab class的数据，twitter工程师采用随机选择一个Slab，释放该Slab的所有缓存数据，然后重新建立一个合适的Slab。
    3) 通过slab_reassign、slab_authmove参数控制。

方法2看上去应是twitter的定制版mc Twemcache的特有功能，方法3则是线上mc已支持的方案，但首次接触也不敢贸然直接在线上使用。  
考虑到mc仅作为热点缓存其数据可丢失，且部署有多台分摊压力，直接采用低峰时段分别重启单个mc的策略解决，重启后evicted item直接降为0，cache命中率升至90%上下。

#### 少量大key变动导致的钙化 ####

首次钙化之后又是一段岁月静好，直到...  
某段时间开始一个主要接口偶发耗时会突然飙升一下，对应机器的CPU使用也会瞬间飚高一小阵，查看zabbix监控时，发现mc的 evicted items>0已持续好一段时间，但一直是个位数/S的级别，看着影响不大。  
进一步执行`stats items`命令，发现发生key evict的是最大的chunk\_size=1048576 的slab 42，这也就是说存在大小在512KB~1MB之间的大key，同时当前mc分配的1MB slab个数已无法满足其存储，也无法再分配出新的1MB大小的slab，最终体现为对于大key的再次钙化。  
由于slab钙化大key会被频繁evict，对应缓存机制基本失效，所幸server端针对该类大key的读取还做了一个短期的本地cache，避免了每次请求都穿透到db。  
在某些特定时刻，当mc中对应大key失效且本地cache失效，对应请求又较多的时候，多个独立的请求都会穿透到db获取数据，而后再写入mc，无论是穿透到db获取数据后本地进行相应的数据组装处理逻辑，还是读写mc的压缩、解压缩数据操作，都比较耗CPU，最终会体现为api耗时增加，且CPU使用率也存在飚高的现象。  
近期并没有涉及大key读写的改动，那这次的大key slab钙化又是怎么来的？进一步探查原因：触发evict的大key近期确实无相关逻辑改动，但该部分旧key的大小和运营放出的资源多少直接相关，近一段时间放出的资源一直持续增加，旧key原本大小是<512KB，所以使用的是512KB的slab 41，近期持续增大为>512KB后，就只能使用1MB的slab 42存储了，对于slab 42来说相当于在原有支持的大key数量基础上又新的大key存储需要支持，又由于slab钙化无法再分配新的slab 42，最终触发evict，cache命中率降低，api偶发耗时上升。  
最终解决方案：还是在业务低峰期逐个重启mc，触发slab重分配即可。

### 总结 ###

memcached作为一个开源的纯内存kv缓存组件，上手简单、性能、稳定性都有足够保证，但是实际使用时也不可掉以轻心，对其相关监控与关注不能少，对于其特有的最大key存储限制、slab钙化问题要有一定的认识并能及时处理。  
转载请注明出处，原文地址：[https://www.cnblogs.com/AcAc-t/p/memcached\_large\_key\_slab\_calcification.html][https_www.cnblogs.com_AcAc-t_p_memcached_large_key_slab_calcification.html]

### 参考 ###

[https://github.com/memcached/memcached/blob/master/doc/protocol.txt\#L637][https_github.com_memcached_memcached_blob_master_doc_protocol.txt_L637]  
[https://github.com/memcached/memcached/wiki/ReleaseNotes142\#configurable-maximum-item-size][https_github.com_memcached_memcached_wiki_ReleaseNotes142_configurable-maximum-item-size]  
[\[Memcached\] Slab钙化问题 - 简书][Memcached_ Slab_ -]  
[https://blog.twitter.com/engineering/en\_us/a/2012/caching-with-twemcache][https_blog.twitter.com_engineering_en_us_a_2012_caching-with-twemcache]  
[https://www.cnblogs.com/AcAc-t/p/memcached\_large\_key\_slab\_calcification.html][https_www.cnblogs.com_AcAc-t_p_memcached_large_key_slab_calcification.html]  
[https://bugwz.com/2020/05/24/memcached-slab-calcification/\#2-2-2、Rebalance执行逻辑][https_bugwz.com_2020_05_24_memcached-slab-calcification_2-2-2_Rebalance]  
[https://www.cnblogs.com/Leo\_wl/p/3310294.html][https_www.cnblogs.com_Leo_wl_p_3310294.html]

[https_www.cnblogs.com_AcAc-t_p_memcached_large_key_slab_calcification.html]: https://www.cnblogs.com/AcAc-t/p/memcached_large_key_slab_calcification.html
[https_github.com_memcached_memcached_blob_master_doc_protocol.txt_L637]: https://github.com/memcached/memcached/blob/master/doc/protocol.txt#L637
[https_github.com_memcached_memcached_wiki_ReleaseNotes142_configurable-maximum-item-size]: https://github.com/memcached/memcached/wiki/ReleaseNotes142#configurable-maximum-item-size
[Memcached_ Slab_ -]: https://www.jianshu.com/p/b91a45711460
[https_blog.twitter.com_engineering_en_us_a_2012_caching-with-twemcache]: https://blog.twitter.com/engineering/en_us/a/2012/caching-with-twemcache
[https_bugwz.com_2020_05_24_memcached-slab-calcification_2-2-2_Rebalance]: https://bugwz.com/2020/05/24/memcached-slab-calcification/#2-2-2%E3%80%81Rebalance%E6%89%A7%E8%A1%8C%E9%80%BB%E8%BE%91
[https_www.cnblogs.com_Leo_wl_p_3310294.html]: https://www.cnblogs.com/Leo_wl/p/3310294.html