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分布式缓存出于如下考虑,首先是缓存本身的水平线性扩展问题,其次是缓存大并发下的本身的性能问题,再次避免缓存的单点故障问题(多副本和副本一致性)。分布式缓存的核心技术包括首先是内存本身的管理问题,包括了内存的分配,管理和回收机制。其次是分布式管理和分布式算法,其次是缓存键值管理和路由。
原文:http://wenku.baidu.com/view/8686d46c7e21af45b307a8c3.html
什么是Memcached
许多Web 应用程序都将数据保存到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REBMS的负担加重,数据库 响应恶化,网站显示延迟等重大影响。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,减少数据库的访问次 数,以提高动态Web 应用的速度、提高扩展性。如图:

Memcached作为高速运行的分布式缓存服务器具有以下特点。
- 协议简单:memcached的服务器客户端通信并不使用复杂的MXL等格式,而是使用简单的基于文本的协议。
- 基于libevent的事件处理:libevent是个程序库,他将Linux 的epoll、BSD类操作系统的kqueue等时间处理功能封装成统一的接口。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。
- 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,内容容量达到指定的值之后memcached回自动删除不适用的缓存。
- Memcached不互通信的分布式: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。他的分布式主要是通过客户端实现的。
Memcached的内存管理
最近的memcached默认情况下采用了名为Slab Allocatoion的机制分配,管理内存。在改机制出现以前,内存的分配是通过对所有记录简单地进行malloc和free来进行的。但是这中方式会导致内存碎片,加重操作系统内存管理器的负担。
Slab Allocator的基本原理是按照预先规定的大小,将分配的内存分割成特定长度的块,已完全解决内存碎片问题。Slab Allocation 的原理相当简单。将分配的内存分割成各种尺寸的块(chucnk),并把尺寸相同的块分成组(chucnk的集合)如图:
而且slab allocator 还有重复使用已分配内存的目的。也就是说,分配到的内存不会释放,而是重复利用。
Slab Allocation 的主要术语
- Page :分配给Slab 的内存空间,默认是1MB。分配给Slab 之后根据slab 的大小切分成chunk.
- Chunk : 用于缓存记录的内存空间。
- Slab Class:特定大小的chunk 的组。
在Slab 中缓存记录的原理
Memcached根据收到的数据的大小,选择最合适数据大小的Slab (图2) memcached中保存着slab内空闲chunk的列表,根据该列表选择chunk,然后将数据缓存于其中。
Memcached在数据删除方面有效里利用资源
Memcached删除数据时数据不会真正从memcached中消失。Memcached不会释放已分配的内存。记录超时后,客户端就无法再看见该记录(invisible 透明),其存储空间即可重复使用。
Lazy Expriationmemcached内部不会监视记录是否过期,而是在get时查看记录的时间戳,检查记录是否过期。这种技术称为lazy expiration.因此memcached不会再过期监视上耗费CPU时间。
对于缓存存储容量满的情况下的删除需要考虑多种机制,一方面是按队列机制,一方面应该对应缓存对象本身的优先级,根据缓存对象的优先级进行对象的删除。
LRU:从缓存中有效删除数据的原理
Memcached会优先使用已超时的记录空间,但即使如此,也会发生追加新纪录时空间不足的情况。此时就要使用名为Least Recently Used (LRU)机制来分配空间。这就是删除最少使用的记录的机制。因此当memcached的内存空间不足时(无法从slab class)获取到新空间时,就从最近未使用的记录中搜索,并将空间分配给新的记录。
Memcached分布式
Memcached虽然称为“分布式“缓存服务器,但服务器端并没有“分布式”的功能。Memcached的分布式完全是有客户端实现的。现在我们就看一下memcached是怎么实现分布式缓存的。
例如下面假设memcached服务器有node1~node3三台,应用程序要保存键名为“tokyo”“kanagawa”“chiba”“saitama”“gunma” 的数据。
首先向memcached中添加“tokyo”。将“tokyo”传给客户端程序库后,客户端实现的算法就会根据“键”来决定保存数据的memcached服务器。服务器选定后,即命令它保存“tokyo”及其值。
同样,“kanagawa”“chiba”“saitama”“gunma”都是先选择服务器再保存。
接下来获取保存的数据。获取时也要将要获取的键“tokyo”传递给函数库。函数库通过与数据保存时相同的算法,根据“键”选择服务器。使用的算法相同,就能选中与保存时相同的服务器,然后发送get命令。只要数据没有因为某些原因被删除,就能获得保存的值。

这样,将不同的键保存到不同的服务器上,就实现了memcached的分布式。 memcached服务器增多后,键就会分散,即使一台memcached服务器发生故障无法连接,也不会影响其他的缓存,系统依然能继续运行。
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