深入理解Memcached原理

阿新 • • 發佈：2018-12-24

1.為什麼要使用memcache

由於網站的高併發讀寫需求，傳統的關係型資料庫開始出現瓶頸，例如：

1）對資料庫的高併發讀寫：

關係型資料庫本身就是個龐然大物，處理過程非常耗時（如解析SQL語句，事務處理等）。如果對關係型資料庫進行高併發讀寫（每秒上萬次的訪問），那麼它是無法承受的。

2）對海量資料的處理：

對於大型的SNS網站，每天有上千萬次的資料產生（如twitter, 新浪微博）。對於關係型資料庫，如果在一個有上億條資料的資料表種查詢某條記錄，效率將非常低。

使用memcache能很好的解決以上問題。

在實際使用中，通常把資料庫查詢的結果儲存到Memcache中，下次訪問時直接從memcache中讀取，而不再進行資料庫查詢操作，這樣就在很大程度上減少了資料庫的負擔。

儲存在memcache中的物件實際放置在記憶體中，這也是memcache如此高效的原因。

2.memcache的安裝和使用

這個網上有太多教程了，不做贅言。

3.基於libevent的事件處理

libevent是個程式庫，它將Linux的epoll、BSD類作業系統的kqueue等事件處理功能封裝成統一的介面。即使對伺服器的連線數增加，也能發揮O(1)的效能。

memcached使用這個libevent庫，因此能在Linux、BSD、Solaris等作業系統上發揮其高效能。

參考：

4.memcache使用例項：

[php] view plain copy print ?

<?php
$mc = new Memcache();
$mc->connect('127.0.0.1', 11211);
$uid = (int)$_GET['uid'];
$sql = "select * from users where uid='uid' ";
$key = md5($sql);
if(!($data = $mc->get($key))) {
$conn = mysql_connect('localhost', 'test', 'test');
mysql_select_db('test');
$result = mysql_fetch_object(

$result);
while($row = mysql_fetch_object($result)) {
$data[] = $row;
}
$mc->add($key, $datas);
}
var_dump($datas);
?>

<?php
$mc = new Memcache();
$mc->connect('127.0.0.1', 11211);

$uid = (int)$_GET['uid'];
$sql = "select * from users where uid='uid' ";
$key = md5($sql);
if(!($data = $mc->get($key))) {
    $conn = mysql_connect('localhost', 'test', 'test');
    mysql_select_db('test');
    $result = mysql_fetch_object($result);
    while($row = mysql_fetch_object($result)) {
          $data[] = $row;
    }
    $mc->add($key, $datas);
}

var_dump($datas);
?>

5.memcache如何支援高併發(此處還需深入研究)

memcache使用多路複用I/O模型，如（epoll, select等），傳統I/O中，系統可能會因為某個使用者連線還沒做好I/O準備而一直等待，知道這個連線做好I/O準備。這時如果有其他使用者連線到伺服器，很可能會因為系統阻塞而得不到響應。

而多路複用I/O是一種訊息通知模式，使用者連線做好I/O準備後，系統會通知我們這個連線可以進行I/O操作，這樣就不會阻塞在某個使用者連線。因此，memcache才能支援高併發。

此外，memcache使用了多執行緒機制。可以同時處理多個請求。執行緒數一般設定為CPU核數，這研報告效率最高。

6.使用Slab分配演算法儲存資料

slab分配演算法的原理是：把固定大小（1MB）的記憶體分為n小塊，如下圖所示：

slab分配演算法把每1MB大小的記憶體稱為一個slab頁，每次向系統申請一個slab頁，然後再通過分隔演算法把這個slab頁分割成若干個小塊的chunk（如上圖所示），然後把這些chunk分配給使用者使用，分割演算法如下（在slabs.c檔案中）：

[cpp] view plain copy print ?

/**
* Determines the chunk sizes and initializes the slab class descriptors
* accordingly.
*/
void slabs_init(constsize_t limit, constdouble factor, constbool prealloc) {
int i = POWER_SMALLEST - 1;
unsigned int size = sizeof(item) + settings.chunk_size;
mem_limit = limit;
if (prealloc) {
/* Allocate everything in a big chunk with malloc 通過malloc的方式申請記憶體*/
mem_base = malloc(mem_limit);
if (mem_base != NULL) {
mem_current = mem_base;
mem_avail = mem_limit;
} else {
fprintf(stderr, "Warning: Failed to allocate requested memory in"
" one large chunk.\nWill allocate in smaller chunks\n");
}
}
memset(slabclass, 0, sizeof(slabclass));
while (++i < POWER_LARGEST && size <= settings.item_size_max / factor) {
/* Make sure items are always n-byte aligned 注意這裡的位元組對齊*/
if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES)
size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);
slabclass[i].size = size;
slabclass[i].perslab = settings.item_size_max / slabclass[i].size;
size *= factor;//以1.25為倍數增大chunk
if (settings.verbose > 1) {
fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",
i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);
}
}
power_largest = i;
slabclass[power_largest].size = settings.item_size_max;
slabclass[power_largest].perslab = 1;
if (settings.verbose > 1) {
fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",
i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);
}
/* for the test suite: faking of how much we've already malloc'd */
{
char *t_initial_malloc = getenv("T_MEMD_INITIAL_MALLOC");
if (t_initial_malloc) {
mem_malloced = (size_t)atol(t_initial_malloc);
}
}
if (prealloc) {
slabs_preallocate(power_largest);
}
}

/**
 * Determines the chunk sizes and initializes the slab class descriptors
 * accordingly.
 */
void slabs_init(const size_t limit, const double factor, const bool prealloc) {
    int i = POWER_SMALLEST - 1;
    unsigned int size = sizeof(item) + settings.chunk_size;

    mem_limit = limit;

    if (prealloc) {
        /* Allocate everything in a big chunk with malloc 通過malloc的方式申請記憶體*/
        mem_base = malloc(mem_limit);
        if (mem_base != NULL) {
            mem_current = mem_base;
            mem_avail = mem_limit;
        } else {
            fprintf(stderr, "Warning: Failed to allocate requested memory in"
                    " one large chunk.\nWill allocate in smaller chunks\n");
        }
    }

    memset(slabclass, 0, sizeof(slabclass));

    while (++i < POWER_LARGEST && size <= settings.item_size_max / factor) {
        /* Make sure items are always n-byte aligned  注意這裡的位元組對齊*/
        if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES)
            size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);

        slabclass[i].size = size;
        slabclass[i].perslab = settings.item_size_max / slabclass[i].size;
        size *= factor;//以1.25為倍數增大chunk
        if (settings.verbose > 1) {
            fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",
                    i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);
        }
    }

    power_largest = i;
    slabclass[power_largest].size = settings.item_size_max;
    slabclass[power_largest].perslab = 1;
    if (settings.verbose > 1) {
        fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",
                i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);
    }

    /* for the test suite:  faking of how much we've already malloc'd */
    {
        char *t_initial_malloc = getenv("T_MEMD_INITIAL_MALLOC");
        if (t_initial_malloc) {
            mem_malloced = (size_t)atol(t_initial_malloc);
        }

    }

    if (prealloc) {
        slabs_preallocate(power_largest);
    }
}

上面程式碼中的slabclass是一個型別為slabclass_t結構的陣列，其定義如下：

[cpp] view plain copy print ?

typedefstruct {
unsigned int size; /* sizes of items */
unsigned int perslab; /* how many items per slab */
void **slots; /* list of item ptrs */
unsigned int sl_total; /* size of previous array */
unsigned int sl_curr; /* first free slot */
void *end_page_ptr; /* pointer to next free item at end of page, or 0 */
unsigned int end_page_free; /* number of items remaining at end of last alloced page */
unsigned int slabs; /* how many slabs were allocated for this class */
void **slab_list; /* array of slab pointers */
unsigned int list_size; /* 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;

typedef struct {
    unsigned int size;      /* sizes of items */
    unsigned int perslab;   /* how many items per slab */
    void **slots;           /* list of item ptrs */
    unsigned int sl_total;  /* size of previous array */
    unsigned int sl_curr;   /* first free slot */
    void *end_page_ptr;         /* pointer to next free item at end of page, or 0 */
    unsigned int end_page_free; /* number of items remaining at end of last alloced page */
    unsigned int slabs;     /* how many slabs were allocated for this class */
    void **slab_list;       /* array of slab pointers */
    unsigned int list_size; /* 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;

借用別人的一張圖說明slabclass_t結構:

由分割演算法的原始碼可知，slab演算法按照不同大小的chunk分割slab頁，而不同大小的chunk以factor（預設是1.25）倍增大。

使用memcache -u root -vv 命令檢視記憶體分配情況(8位元組對齊)：

找到大小最合適的chunk分配給請求快取的資料：

[cpp] view plain copy print ?

/*
* Figures out which slab class (chunk size) is required to store an item of
* a given size.
*
* Given object size, return id to use when allocating/freeing memory for object
* 0 means error: can't store such a large object
*/
unsigned int slabs_clsid(constsize_t size) {
int res = POWER_SMALLEST;// 初始化為最小的chunk
if (size == 0)
return 0;
while (size > slabclass[res].size) //逐漸增大chunk size，直到找到第一個比申請的size大的chunk
if (res++ == power_largest) /* won't fit in the biggest slab */
return 0;
return res;
}

/*
 * Figures out which slab class (chunk size) is required to store an item of
 * a given size.
 *
 * Given object size, return id to use when allocating/freeing memory for object
 * 0 means error: can't store such a large object
 */

unsigned int slabs_clsid(const size_t size) {
    int res = POWER_SMALLEST;// 初始化為最小的chunk

    if (size == 0)
        return 0;
    while (size > slabclass[res].size) //逐漸增大chunk size，直到找到第一個比申請的size大的chunk
        if (res++ == power_largest)     /* won't fit in the biggest slab */
            return 0;
    return res;
}

記憶體分配：

[cpp] view plain copy print ?

staticvoid *do_slabs_alloc(constsize_t size, unsigned int id) {
slabclass_t *p;
void *ret = NULL;
item *it = NULL;
if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest) {//判斷id是否會導致slabclass[]陣列越界
MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, 0);
return NULL;
}
p = &slabclass[id];//獲取slabclass[id]的引用
assert(p->sl_curr == 0 || ((item *)p->slots)->slabs_clsid == 0);//判斷slabclass[id]是否有剩餘的chunk
if (! (p->sl_curr != 0 || do_slabs_newslab(id) != 0)) {//如果slabclass[id]中已經沒有空餘chunk並且試圖向系統申請一個“頁”（slab）的chunk失敗,則返回NULL
/* We don't have more memory available */
ret = NULL;
} elseif (p->sl_curr != 0) {//slabclass[id]的空閒連結串列中還有chunk，則直接將其分配出去
it = (item *)p->slots;//獲取空閒連結串列的頭指標
p->slots = it->next;//將頭結點指向下一個結點（取下頭結點）
if (it->next) it->next->prev = 0;//將新頭結點的prev指標置空
p->sl_curr--;//減少slabclass[id]空閒連結串列中的chunk計數
ret = (void *)it;//將頭結點賦給ret指標
}
if (ret) {//請求成功
p->requested += size;//更新slabclass[id]所分配的記憶體總數
MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, p->size, ret);
} else {
MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);
}
return ret;
}

static void *do_slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id) {
    slabclass_t *p;
    void *ret = NULL;
    item *it = NULL;
 
    if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest) {//判斷id是否會導致slabclass[]陣列越界
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, 0);
        return NULL;
    }
 
    p = &slabclass[id];//獲取slabclass[id]的引用
    assert(p->sl_curr == 0 || ((item *)p->slots)->slabs_clsid == 0);//判斷slabclass[id]是否有剩餘的chunk
 
    if (! (p->sl_curr != 0 || do_slabs_newslab(id) != 0)) {//如果slabclass[id]中已經沒有空餘chunk並且試圖向系統申請一個“頁”（slab）的chunk失敗,則返回NULL
    /* We don't have more memory available */
        ret = NULL;
    } else if (p->sl_curr != 0) {//slabclass[id]的空閒連結串列中還有chunk，則直接將其分配出去
        it = (item *)p->slots;//獲取空閒連結串列的頭指標
        p->slots = it->next;//將頭結點指向下一個結點（取下頭結點）
        if (it->next) it->next->prev = 0;//將新頭結點的prev指標置空
        p->sl_curr--;//減少slabclass[id]空閒連結串列中的chunk計數
        ret = (void *)it;//將頭結點賦給ret指標
    }
 
    if (ret) {//請求成功
        p->requested += size;//更新slabclass[id]所分配的記憶體總數
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, p->size, ret);
    } else {
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);
    }
 
    return ret;
}

do_slabs_allc()函式首先嚐試從slot列表（被回收的chunk）中獲取可用的chunk,如果有可用的就返回，否則從空閒的chunk列表中獲取可用的chunk並返回。

刪除過期item:

延遲刪除過期item到查詢時進行，可以提高memcache的效率，因為不必每時每刻檢查過期item,從而提高CPU工作效率

使用LRU(last recently used)演算法淘汰資料：

[cpp] view plain copy print ?

/*
* try to get one off the right LRU
* don't necessariuly unlink the tail because it may be locked: refcount>0
* search up from tail an item with refcount==0 and unlink it; give up after 50
* tries
*/
if (tails[id] == 0) {
itemstats[id].outofmemory++;
return NULL;
}
for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
if (search->refcount == 0) { //refount==0的情況，釋放掉
if (search->exptime == 0 || search->exptime > current_time) {
itemstats[id].evicted++;
itemstats[id].evicted_time = current_time - search->time;
STATS_LOCK();
stats.evictions++;
STATS_UNLOCK();
}
do_item_unlink(search);
break;
}
}
it = slabs_alloc(ntotal, id);
if (it == 0) {
itemstats[id].outofmemory++;
/* Last ditch effort. There is a very rare bug which causes
* refcount leaks. We've fixed most of them, but it still happens,
* and it may happen in the future.
* We can reasonably assume no item can stay locked for more than
* three hours, so if we find one in the tail which is that old,
* free it anyway.
*/
tries = 50;
for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
if (search->refcount != 0 && search->time + 10800 < current_time) { //最近3小時沒有被訪問到的情況，釋放掉
itemstats[id].tailrepairs++;
search->refcount = 0;
do_item_unlink(search);
break;
}
}
it = slabs_alloc(ntotal, id);
if (it == 0) {
return NULL;
}
}

/*
 * try to get one off the right LRU
 * don't necessariuly unlink the tail because it may be locked: refcount>0
 * search up from tail an item with refcount==0 and unlink it; give up after 50
 * tries
 */

if (tails[id] == 0) {
	itemstats[id].outofmemory++;
	return NULL;
}

for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
	if (search->refcount == 0) { //refount==0的情況，釋放掉
		if (search->exptime == 0 || search->exptime > current_time) {
			itemstats[id].evicted++;
			itemstats[id].evicted_time = current_time - search->time;
			STATS_LOCK();
			stats.evictions++;
			STATS_UNLOCK();
		}
		do_item_unlink(search);
		break;
	}
}
it = slabs_alloc(ntotal, id);
if (it == 0) {
	itemstats[id].outofmemory++;
	/* Last ditch effort. There is a very rare bug which causes
	 * refcount leaks. We've fixed most of them, but it still happens,
	 * and it may happen in the future.
	 * We can reasonably assume no item can stay locked for more than
	 * three hours, so if we find one in the tail which is that old,
	 * free it anyway.
	 */
	tries = 50;
	for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
		if (search->refcount != 0 && search->time + 10800 < current_time) { //最近3小時沒有被訪問到的情況，釋放掉
			itemstats[id].tailrepairs++;
			search->refcount = 0;
			do_item_unlink(search);
			break;
		}
	}
	it = slabs_alloc(ntotal, id);
	if (it == 0) {
		return NULL;
	}
}

從item列表的尾部開始遍歷，找到refcount==0的chunk,呼叫do_item_unlink()函式釋放掉，另外，search->time+10800<current_time(即最近3小時沒有被訪問過的item)，也釋放掉--這就是LRU演算法的原理。

附：阿里2014筆試題一道：

某快取系統採用LRU淘汰演算法，假定快取容量為4,並且初始為空，那麼在順序訪問一下資料項的時候：1,5,1,3,5,2,4,1,2出現快取直接命中的次數是？，最後快取中即將準備淘汰的資料項是？答案：3， 5 解答：

1調入記憶體 1
5調入記憶體 1 5
1調入記憶體 5 1（命中 1，更新次序）
3調入記憶體 5 1 3
5調入記憶體 1 3 5 （命中5）
2調入記憶體 1 3 5 2
4調入記憶體（1最久未使用，淘汰1） 3 5 2 4
1調入記憶體（3最久未使用，淘汰3） 5 2 4 1
2調入記憶體 5 4 1 2（命中2）

因此，直接命中次數是3,最後快取即將準備淘汰的資料項是5

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3.基於libevent的事件處理

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