Memcached服务特点及透明网桥工作原理理是什么?

  • memcached是一套C/S模式架构的软件在服务器端启动服务守护进程,可以为memcached服务器指定***的IP地址、端口号、并发访问连接数、以及分配多少内存来处理客户端的请求的参数;

  • memcached软件昰由C语言来实现的全部代码仅有2000多行,采用的是异步I/O其实现方式是基于事件的单进程和单线程的。使用libevent作为事件通知机制多个服务器端可以协同工作,但这些服务器端之间是没有任何通信联系的每个服务器只对自己的数据进行管理。应用程序端通过指定缓存服务器嘚IP地址和端口就可以连接memcached服务进行相互通信。

  • 需要被缓存的数据以Key/Value键值对的形式保存在服务器端预分配的内存空间中每个被缓存的数據都有唯一的标识Key,操作memcached中的数据是通过这个唯一标识Key进行的缓存到Memcached中的数据仅放置在memcached服务预分配的内存中,而非储存在磁盘中因此存取速度非常快;

  • 由于Memcached服务自身没有对缓存的数据进行持久性存储的设计,因此在服务器端的memcached服务进程重启之后,存储在内存中的这些數据就会丢失且当内存中缓存的数据容量达到启动时设定的内存值时,就自动使用LRU(最近最少使用算法)算法删除过期的缓存数据

  • memcached软件开发的早,当初仅为缓存而设计的因此在设计之初并没有过多考虑数据的永久性问题。因此如果使用memcached作为缓存数据服务要考虑数据丟失后带来的问题,例如:是否可以重新生成数据还有,在高并发场合数据丢失会不会导致网站架构雪崩

  • 为了满足数据可以持久性保留的需求,sina网基于memcached服务开发了一款NoSQL软件名字叫MemcacheDB,可以实现在缓存的基础上增加了持久缓存的特性

memcached作为高并发、高性能的缓存服务,具囿如下特征:

  • memcached的协议实现比较简单使用的是基于文本行的协议,能通过telnet直接操作memcached服务存取数据;

  • 简单的说libevent是一套得C开发的程序库,它將BSD系统的kqueue、Linux系统的epoll等事件处理功能封装成一个接口确保即使服务器端连接数增加,也能发挥很好的性能;
    memcached就是利用这个库进行异步事件處理

  • memcached有一套自己管理内存的方式,这套管理方式非常高效所有的数据都保存在memcached内置的内存中,当存入的数据占满内存空间时memcached就使用LRU算法自动删除不使用的缓存,即重用过期数据的内存空间memcached是为缓存系统设计的,因此没有考虑数据的容灾问题,和机器的内存一样偅启机器后数据将会丢失,如果希望重启数据依然能保留那么就需要采用sina网开发的memcachedb持久性内存缓存系统,当然还有常见的NoSQL服务如:Redis,內存缓存:memcached,memcachedb,TokyoTyrant,MongoDB,Cassandra,redis,tair,CouchDB
    linux运维人员必会开源运维工具体系:

  • 互不通信的memcached服务之间具有分布式特征
    各个memcached服务器之间互相不通信都是独立的存取数据,不共享任何信息通过对客户端的设计,让Memcached具有分布式功能能支持海量缓存和大规模应用。

  • Memcached利用Slab Allocation机制来分配和管理内存传统的内存管理方式是:使用完通过malloc分配的内存后通过free来回收内存。这种方式容易产生内存碎片并降低操作系统对内存的管理效率Slab Allocation机制不存在这样的问题。它按照预先分配的大小将分配的内存分割成特定长度的内存块,再把尺寸相同的内存块分成组这些内存块不会释放,可以重复利用

  • Memcached服务器端保存着一个空闲的内存块列表,当有数据存入时根据接收到的数据大小分配一个能存下这个数据的最小内存块。这种方式有時会造成内存浪费例如:将200字节的一个数据存入300字节的一个内存块中,就会有100字节的内存被浪费掉不能被使用。

避免浪费内存的办法昰:

  1. 预先计算出应用存入的数据大小或把同一业务类型的数据存入一个Memcached服务器中,确保存入的数据大小相对均匀这样就可以减少内存嘚浪费。

  2. 还有一种办法是在memcached服务启动时,通过“ -f ” 选项指定一个增长因子(或叫增长系数)它能控制内存组(slab)之间的大小差异。在應用中使用Memcached时通常可以不重新设置这个参数,使用默认值1.25进行部署如果想优化memcached对内存的使用,可以考虑重新计算数据的预期平均长度调整这个参数来获得合适的设置值。

  • 前面已经介绍过Memcached不会释放已分配的内存空间在数据过期后,客户端不能通过Key取出它的值其存储涳间被重新利用。

  • Memcached使用的是一种Lazy Expiration 策略自己不会监控存入的“Key/Value”对是否过期,而是在获取Key值时查看记录的时间戳检查“key/value”键值对的空间昰否过期。这种策略不会在过期检测上浪费CPU资源

  • Memcached在分配空间时,优先使用已经过期的Key/Value键值对空间当分配的内存空间占满时,Memcached就会使用LRU(最近最少使用算法)算法来分配空间删除最近最少使用的Key/Value键值对,将其空间分配给新Key/Value键值对在某些情况下,如果不想使用LRU算法那麼可以通过“-M” 参数来启动Memcached,这样Memcached在内存耗尽时会返回一个报错信息。

客户端可以把数据存储在多台memcached上当查询数据时,客户端首先参考节点列表计算出key的哈希值(阶段一哈 希)进而选中一个节点;客户端将请求发送给选中的节点,然后memcached節点通过一个内部的哈希算法(阶段二哈希)查找真正的数据 (item)。 

memcached的分布式主要体现在client端对于server端,仅仅是部署多个memcached server组成集群每个server獨自维护自己的数据(互相之间没有任何通信),通过daemon***端口等待client端的请求
而在client端,通过一致的hash算法将要存储的数据分布到某个特萣的server上进行存储,后续读取查询使用同样的hash算法即可定位

1相同的客户端库(意味着阶段一的哈希算法相同),也拥有同样的memcached列表(A, B, C) 於是,经过相同的哈希计算(阶段一)Client 2计算出key “foo”在memcached B上,然后它直接请求memcached JSON等)一些客户端实现的哈希算法也不一样。但是memcached服务器端嘚行为总是一致的。最后从实现的角度看,memcached是一个非阻塞的、基于事件的服务器程序这种架构可以很好地解决C10K problem ,并具有极佳的可扩展性 可以参考A Story of Caching ,这篇文章简单解释了客户端与memcached是如何交互的 2、memcached最大的优势是什么? 请仔细阅读上面的问题(即memcached是如何工作的)Memcached最大的恏处就是它带来了极佳的水平可扩展 性,特别是在一个巨大的系统中由于客户端自己做了一次哈希,那么我们很容易增加大量memcached到集群中memcached之间没有相互通信, 因此不会增加 memcached的负载;没有多播协议不会网络通信量爆炸(implode)。memcached的集群很好用内存不够了?增加几台 memcached吧;CPU不够鼡了再增加几台吧;有多余的内存?在增加几台吧不要浪费了。 基于memcached的基本原则可以相当轻松地构建出不同类型的缓存架构。除了這篇FAQ在其他地方很容易找到详细资料的。 看看下面的几个问题吧它们在memcached、服务器的local 由于需要刷新更多的缓存数据,速度会变得更慢 * 茬MySQL的query cache中,我们是不能存储任意的数据的(只能是SQL查询结果)而利用memcached,我们可以搭建出各种高效的缓存比如,可以执行多个独立 的查询构建出一个用户对象(user object),然后将用户对象缓存到memcached中而query cache是SQL语句级别的,不可能做到这一点在小的网站中,query cache会有所帮助但随着网站規模的增加,query cache的弊将大于利 * query cache能够利用的内存容量受到MySQL服务器空闲内存空间的限制。给数据库服务器增加更多的内存来缓存数据固然是佷好的。但是有了 cache)相同的问题。local cache能够利用的内存容量受到(单台)服务器空闲内存空间的限制不过,local cache有一点比memcached和query cache都要好那就是它不泹可以存储任意的数据,而且没有网络存取的延迟 * local cache的数据查询更快。考虑把highly common的数据放在local 我们只能通知所有的服务器刷新cache(很慢不具扩展性),或者仅仅依赖缓存超时失效机制 * local cache面临着严重的内存限制,这一点上面已经提到 5、memcached的cache机制是怎样的? Memcached future如果memcached的内存不够用了,過期的slabs会优先被替换接着就轮到最老的未被使用的slabs。 6、memcached如何实现冗余机制 不实现!我们对这个问题感到很惊讶。Memcached应该是应用的缓存层它的设计本身就不带有任何冗余机制。如果一个memcached节点 失去了所 有数据您应该可以从数据源(比如数据库)再次获取到数据。您应该特別注意您的应用应该可以容忍节点的失效。不要写一些糟糕的查询代码寄希望于 memcached来保证一切!如果您担心节点失效会大大加重数据库嘚负担,那么您可以采取一些办法比如您可以增加更多的节点(来减少丢失一个节点的影 响),热备节点(在其他节点down了的时候接管IP)等等。 7、memcached如何处理容错的 不处理!:) 在memcached节点失效的情况下,集群没有必要做任何容错处理如果发生了节点失效,应对的措施完全取决於用户节点失效时,下面列出几种方案供您选择: * 忽略它! 在失效节点被恢复或替换之前还有很多其他节点可以应对节点失效带来的影响。 * 把失效的节点从节点列表中移除做这个操作千万要小心!在默认情况下(余数式哈希算法),客户端添加或移除节点会导致所囿的缓存数据不可用!因为哈希参照的节点列表变化了,大部分key会因为哈希值的改变而被映射到(与原来)不同的节点上 * 启动热备节点,接管失效节点所占用的IP这样可以防止哈希紊乱(hashing chaos)。 * 如果希望添加和移除节点而不影响原先的哈希结果,可以使用一致性哈希算法(consistent hashing)您可以百度一下一致性哈希算法。支持一致性哈希的客户端已经很成熟而且被广泛使用。去尝试一下吧! * 两次哈希(reshing)当客户端存取数据时,如果发现一个节点down了就再做一次哈希(哈希算法与前一次不同),重新选择另一个节点(需要注意 的时客户端并没有紦down的节点从节点列表中移除,下次还是有可能先哈希到它)如果某个节点时好时坏,两次哈希的方法就有风险了好的节点和坏的节 点仩都可能存在脏数据(stale data)。 8、如何将memcached中item批量导入导出 您不应该这样做!Memcached是一个非阻塞的服务器。任何可能导致memcached暂停或瞬时拒绝服务的操莋都应该值得深思熟虑向 memcached中批量导入数据往往不是您真正想要的!想象看,如果缓存数据在导出导入之间发生了变化您就需要处理脏數据了;如果缓存数据在导出导入 之间过期了,您又怎么处理这些数据呢 因此,批量导出导入数据并不像您想象中的那么有用不过在┅个场景倒是很有用。如果您有大量的从不变化 的数据并且希望缓存很快热(warm)起来,批量导入缓存数据是很有帮助的虽然这个场景並不典型,但却经常发生因此我们会考虑在将来实现批量导出导入的功能。 Steven  18、memcached是原子的吗? 当然!好吧让我们来明确一下: 所有的被发送到memcached的单个命令是完全原子的。如果您针对同一份数据同时发送了一个set命令和一个get命令它们不会影响对方。它们将被串行化、先后執行即使在多线程模式,所有的命令都是原子的除非程序有bug:) 命令序列不是原子的。如果您通过get命令获取了一个item修改了它,然后想把咜set回memcached我们不保证这个item没有被 其他进程 (process,未必是操作系统中的进程)操作过在并发的情况下,您也可能覆写了一个被其他进程set的item memcached 1.2.5以忣更高版本,提供了gets和cas命令它们可以解决上面的问题。如果您使用gets命令查询某个key的itemmemcached会 给您返回该item当前值的唯一标识。如果您覆写了这個item并想把它写回到memcached中您可以通过cas命令把那个唯一标识一起发送给 memcached。如果该item存放在memcached中的唯一标识与您提供的一致您的写操作将会成功。洳果另一个进程在这期间也修改了这个 item那么该item存放在memcached中的唯一标识将会改变,您的写操作就会失败 

通常,基于memcached中item的值来修改item是一件棘手的事情。除非您很清楚自己在做什么否则请不要做这样的事情。

参考资料

 

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