java之XMemcached使用及源码详解

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前言

本文主要讲述如何使用XMemcached客户端与Memcached服务端进行交互。通过XMemcached的API调用与Memcached的set/get命令对比及跟踪XMemcached源码，使大家对XMemcached的API有更深层次的理解，能够从底层上去了解其工作原理，从而能在项目中进行一些针对性的接口封闭及优化工作。

是叫Memcache还是Memcached?

网上有种说法是：Memcache是这个项目的名称，而memcached是它服务器端的主程序文件名。我又查了Memcache的官网http://memcached.org/，home页一直引用的是Memcached。姑且不论该叫什么名称合适，在这里统一称呼为Memcached，仅代表我的个人习惯。

Memcached简介

言归正题，Memcached是分布式高性能内存级别的对象缓存系统，并且是开源免费项目。它的所有key-value数据全部放在内存中，这是其高效的一个原因，同时也意味着系统关闭时，全部数据就会丢失。利用Memcached作用缓存系统，可以减少动态网站数据库查询次数，提升网站性能，常作为web2.0网站缓存解决方案。Memcached客户端提供多种语言API支持，像C/C++、Perl、PHP、Java、C#、Ruby等。

Memcached的Java客户端目前有3个

• Memcached Client for Java 比 SpyMemcached更稳定、更早、更广泛；
• SpyMemcached 比 Memcached Client for Java更高效；
• XMemcached 比 SpyMemcache并发效果更好；

前两个客户端的使用，这里不做详述。

分三部分讲解XMemcached客户端

• XMemcached客户端使用演示
• set/get方法源码追踪
• 对比Memcached的set/get命令

一、XMemcached客户端使用演示

本人是用Maven构建的项目，为了使用XMemcached，需要在pom.xml中加入

<dependency>
	<groupId>com.googlecode.xmemcached</groupId>
	<artifactId>xmemcached</artifactId>
	<version>1.4.3</version>
</dependency>

XMemcached使用示例Demo如下

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MemcachedClientBuilder builder = new XMemcachedClientBuilder(AddrUtil.getAddresses("127.0.0.1:11211"));
        MemcachedClient memcachedClient = builder.build();
        
        try {
            memcachedClient.set("key", 0, "Hello World!");
            String value = memcachedClient.get("key");
            System.out.println("key值：" + value);
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            memcachedClient.shutdown();
        }
        catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

接下来详细追踪下这两个方法的源码

二、set/get方法源码追踪

1.set

大家可以用过debug模式，一步步追踪set及get过程，具体过程不演示了，先直接列出set方法大概的源码调用过程如下(中间可能省略了某些方法调用)

XMemcachedClient.set()
 XMemcachedClient.sendCommand()
  MemcachedConnector.send()
   AbstractSession.write()
    MemcachedTCPSession.wrapMessage()
     TextStoreCommand.encode()
      TextStoreCommand.encodeValue()
       SerializingTranscoder.encode()
        BaseSerializingTranscoder.serialize()

先是调用XMemcacheClient.set(final String key, final int exp, final Object value)方法，key形参对应字符串“key”，exp形参对应整数0（表达缓存永不过期），value形参对应字符串“Hello World!”。经过上述一系列方法调用，最终调用到SerializingTranscoder.encode(Object o)方法，此时形参o接收到的实参值就是set的字符串“Hello World!”，该方法体代码如下：

	public final CachedData encode(Object o) {
		byte[] b = null;
		int flags = 0;
		if (o instanceof String) {
			b = encodeString((String) o);
		} else if (o instanceof Long) {
			if (this.primitiveAsString) {
				b = encodeString(o.toString());
			} else {
				b = this.transcoderUtils.encodeLong((Long) o);
			}
			flags |= SPECIAL_LONG;
		} else if (o instanceof Integer) {
			if (this.primitiveAsString) {
				b = encodeString(o.toString());
			} else {
				b = this.transcoderUtils.encodeInt((Integer) o);
			}
			flags |= SPECIAL_INT;
		} else if (o instanceof Boolean) {
			if (this.primitiveAsString) {
				b = encodeString(o.toString());
			} else {
				b = this.transcoderUtils.encodeBoolean((Boolean) o);
			}
			flags |= SPECIAL_BOOLEAN;
		} else if (o instanceof Date) {
			b = this.transcoderUtils.encodeLong(((Date) o).getTime());
			flags |= SPECIAL_DATE;
		} else if (o instanceof Byte) {
			if (this.primitiveAsString) {
				b = encodeString(o.toString());
			} else {
				b = this.transcoderUtils.encodeByte((Byte) o);
			}
			flags |= SPECIAL_BYTE;
		} else if (o instanceof Float) {
			if (this.primitiveAsString) {
				b = encodeString(o.toString());
			} else {
				b = this.transcoderUtils.encodeInt(Float
						.floatToRawIntBits((Float) o));
			}
			flags |= SPECIAL_FLOAT;
		} else if (o instanceof Double) {
			if (this.primitiveAsString) {
				b = encodeString(o.toString());
			} else {
				b = this.transcoderUtils.encodeLong(Double
						.doubleToRawLongBits((Double) o));
			}
			flags |= SPECIAL_DOUBLE;
		} else if (o instanceof byte[]) {
			b = (byte[]) o;
			flags |= SPECIAL_BYTEARRAY;
		} else {
			b = serialize(o);
			flags |= SERIALIZED;
		}
		assert b != null;
		if (this.primitiveAsString) {
			// It is not be SERIALIZED,so change it to string type
			if ((flags & SERIALIZED) == 0) {
				flags = 0;
			}
		}
		if (b.length > this.compressionThreshold) {
			byte[] compressed = compress(b);
			if (compressed.length < b.length) {
				if (log.isDebugEnabled()) {
					log.debug("Compressed " + o.getClass().getName() + " from "
							+ b.length + " to " + compressed.length);
				}
				b = compressed;
				flags |= COMPRESSED;
			} else {
				if (log.isDebugEnabled()) {
					log.debug("Compression increased the size of "
							+ o.getClass().getName() + " from " + b.length
							+ " to " + compressed.length);
				}
			}
		}
		return new CachedData(flags, b, this.maxSize, -1);
	}

先是申明了局部变量b（用来存储需要放入memcached服务器的字节数组）及flags（用来存储标志信息）。然后依次判断对象o是否字符串类型、长整型类型等，并将对象o编码成相应的字节数组存放在局部变量b中。

特别注意第57行，当o的类型不是字符串、基本类型的包装类型及byte[]数组时，会调用BaseSerializingTranscoder.serialize()方法，该方法源代码如下：

	protected byte[] serialize(Object o) {
		if (o == null) {
			throw new NullPointerException("Can't serialize null");
		}
		byte[] rv = null;
		try {
			ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
			ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(bos);
			os.writeObject(o);
			os.close();
			bos.close();
			rv = bos.toByteArray();
		} catch (IOException e) {
			throw new IllegalArgumentException("Non-serializable object", e);
		}
		return rv;
	}

很明显，该方法就是进行对象序列化，将Java对象转化成byte数组并返回。相信大家看到这里，应该明白了为什么自定义对象需要实现Serializable接口才能保存进Memcached中。如果数据对象没有实现Serializable接口，那么在进行对象序列化时，将会抛出IOException，最终抛出IllegalArgumentException，并提示Non-serializable object。

另着重说明下CachedData类的作用，该类封装了cas值（该值用来实现原子更新，即客户端每次发出更新请求时，请求信息中都会附带该cas值，memcached服务端在收到请求后，会将该cas值与服务器中存储数据的cas值对比，如果相等，则用新的数据覆盖老的数据；否则，更新失败。在并发环境下特别有用）、data数据（即要缓存的数据值或者获取到的缓存数据，以byte[]数组形式存储），flag信息（标识byte[]数组额外数据类型信息及byte[]数组是否进行过压缩等信息，用一个int类型存储）及其它信息。

set源码分析到这里，下面说下get源码。

2.get

同样的，先列出get方法大概的源码调用过程如下：

XMemcachedClient.get()
 XMemcachedClient.fetch0()
  XMemcachedClient.sendCommand()
   MemcachedConnector.send()
    AbstractSession.write()
     MemcachedTCPSession.wrapMessage()
      TextGetCommand.encode()
       SerializingTranscoder.decode()
        SerializingTranscoder.decode0()
         BaseSerializingTranscoder.deserialize()

先是调用XMemcacheClient.get(final String key)方法，key形参对应字符串“key"。从该方法一直到TextGetCommand.encode()调用，可以看作是组装get命令并发送到服务器过程，在收到服务器响应消息后，将响应消息组装成CachedData，并调用SerializingTranscoder.decode(CachedData d)方法，即进行字节流解码工作。该方法代码如下：

	public final Object decode(CachedData d) {
		byte[] data = d.getData();

		int flags = d.getFlag();
		if ((flags & COMPRESSED) != 0) {
			data = decompress(d.getData());
		}
		flags = flags & SPECIAL_MASK;
		return decode0(d,data, flags);
	}

先是获取字节数组及标志信息，根据标志位决定是否要解压缩字节数组。最后调用decode0(CachedData cachedData,byte[] data, int flags)方法，代码如下：

	protected final Object decode0(CachedData cachedData,byte[] data, int flags) {
		Object rv = null;
		if ((cachedData.getFlag() & SERIALIZED) != 0 && data != null) {
			rv = deserialize(data);
		} else {
			if (this.primitiveAsString) {
				if (flags == 0) {
					return decodeString(data);
				}
			}
			if (flags != 0 && data != null) {
				switch (flags) {
				case SPECIAL_BOOLEAN:
					rv = Boolean.valueOf(this.transcoderUtils
							.decodeBoolean(data));
					break;
				case SPECIAL_INT:
					rv = Integer.valueOf(this.transcoderUtils.decodeInt(data));
					break;
				case SPECIAL_LONG:
					rv = Long.valueOf(this.transcoderUtils.decodeLong(data));
					break;
				case SPECIAL_BYTE:
					rv = Byte.valueOf(this.transcoderUtils.decodeByte(data));
					break;
				case SPECIAL_FLOAT:
					rv = new Float(Float.intBitsToFloat(this.transcoderUtils
							.decodeInt(data)));
					break;
				case SPECIAL_DOUBLE:
					rv = new Double(Double
							.longBitsToDouble(this.transcoderUtils
									.decodeLong(data)));
					break;
				case SPECIAL_DATE:
					rv = new Date(this.transcoderUtils.decodeLong(data));
					break;
				case SPECIAL_BYTEARRAY:
					rv = data;
					break;
				default:
					log
							.warn(String.format("Undecodeable with flags %x",
									flags));
				}
			} else {
				rv = decodeString(data);
			}
		}
		return rv;
	}

上面方法实际上就是encode(Object o)方法的逆向实现，即将字节数组转化成Object对象。注意第4行调用了deserialize(byte[] in)方法，该方法代码如下(省略了catch、finally部分)：

	protected Object deserialize(byte[] in) {
		Object rv = null;
		ByteArrayInputStream bis = null;
		ObjectInputStream is = null;
		try {
			if (in != null) {
				bis = new ByteArrayInputStream(in);
                is = new ObjectInputStream(bis) {
                    @Override
                    protected Class<?> resolveClass(ObjectStreamClass desc) throws IOException, ClassNotFoundException {
                        try {
                            //When class is not found,try to load it from context class loader.
                            return super.resolveClass(desc);
                        } catch (ClassNotFoundException e) {
                            return Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass(desc.getName());
                        }
                    }
                };
                rv = is.readObject();

			}
		}
		...
		return rv;
	}

上述代码就是反序列化对象并返回。每次反序列化操作，得到的都是一个全新对象，对该新对象进行的任何操作并不会影响memcached中存储的值。

三、对比Memcached的set/get命令

除了上述通过java代码与memcached交互外，我们还可以直接通过命令方式与其交互。步骤如下：

1.先打开cmd窗口

2.通过telnet连上memcached服务器，命令如下：

telnet 127.0.0.1 11211

3.若连接成功，可直接输入命令与memcached服务器交互。

1.存储命令

格式如下

<command name> <key> <flags> <exptime> <bytes>
<data block>

参数说明如下：

<command name> set/add/replace

<key> 查找关键字

<flags> 客户机使用它存储关于键值对的额外信息

<exptime> 该数据的存活时间，0表示永远

<bytes> 存储字节数

<data block> 存储的数据块（可直接理解为key-value结构中的value）

各存储命令特别说明：

• set命令在key不存在时，进行添加操作，否则进行更新操作。
• add命令在key不存在时，才能添加成功
• replace命令在key存在时，才能替换成功

实例演示：

set myname 0 0 9
super man
STORED

2.读取命令

get key [key1]...

获取一个或多个键值，键之间以空格分隔。

实例演示：

get myname
VALUE myname 0 9
super man
END

除了上述常用命令外，还有gets、cas、stats等命令，大家有兴趣的可以去学习下。

3.类比

类比下Xmemcached客户端使用，不难发现很有趣的地方：

set命令中<key>和<exptime>分别对应XMemcacheClient.set(final String key, final int exp, final Object value)方法中的key和exp参数。而<flags>和<data block>则对应CachedData封装类的flag和data成员变量。

get命令<key>对应到XMemcacheClient.get(final String key)方法的key参数，get命令的返回结果对应SerializingTranscoder.decode(CachedData d)方法的参数d，d的类型是CachedData，该类正是封装了flag和data信息。

通过上面的对比，不难发现，无论是Memcached命令还是Xmemcached客户端，都不过是memcached客户端一种实现而已，他们遵守相同的请求及应答消息规范。更底层来看，这两种方式都是通过建立tcp连接后，然后发送符合memcached约定的请求消息；在接收到memcached服务器应答消息后，也是按照memcached的应答消息约定进行解码（在Xmemcached客户端利用了flag字段实现将数据字节数组转化成应用层需要的类型）。

换句话说：Memcached缓存系统提供了服务端的实现(c语言)，并约定了客户端与服务器进行通信的消息格式，更准确来说是字节流格式（通过tcp方式通信）。不同语言客户端，仅仅是这一规范的实现而已。当然Memcached已经提供了大部分语言的客户端实现，不过你也可以自己开发出一个客户端实现。

四、如何优化Xmemcached客户端代码，提高效率

从前面的源码分析可以看出，如果存入Memcached的是bean对象，需要实现Serializable接口以支持java对象序列化。据我了解，java自带的对象序列化，不仅序列化和反序化操作耗时，而且生成的字节数组也比较大。因此可以考虑换一种编解码技术，本人推荐使用fastjson，其不仅效率过，而且生成的json串体积小。其它优化措施，如果有想到，再补充

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