实战web2.0技术篇-MemCache深度分析 - zt

Memcached是“分布式”的内存对象缓存系统，那么就是说，那些不需要“分布”的，不需要共享的，或者干脆规模小到只有一台服务器的应用，memcached不会带来任何好处，相反还会拖慢系统效率，因为网络连接同样需要资源，即使是UNIX本地连接也一样。 在我之前的测试数据中显示，memcached本地读写速度要比直接PHP内存数组慢几十倍，而APC、共享内存方式都和直接数组差不多。可见，如果只是本地级缓存，使用memcached是非常不划算的。

Memcached在很多时候都是作为数据库前端cache使用的。因为它比数据库少了很多SQL解析、磁盘操作等开销，而且它是使用内存来管理数据的，所以它可以提供比直接读取数据库更好的性能，在大型系统中，访问同样的数据是很频繁的，memcached可以大大降低数据库压力，使系统执行效率提升。另外，memcached也经常作为服务器之间数据共享的存储媒介，例如在SSO系统中保存系统单点登陆状态的数据就可以保存在memcached中，被多个应用共享。

需要注意的是，memcached使用内存管理数据，所以它是易失的，当服务器重启，或者memcached进程中止，数据便会丢失，所以memcached不能用来持久保存数据。很多人的错误理解，memcached的性能非常好，好到了内存和硬盘的对比程度，其实memcached使用内存并不会得到成百上千的读写速度提高，它的实际瓶颈在于网络连接，它和使用磁盘的数据库系统相比，好处在于它本身非常“轻”，因为没有过多的开销和直接的读写方式，它可以轻松应付非常大的数据交换量，所以经常会出现两条千兆网络带宽都满负荷了，memcached进程本身并不占用多少CPU资源的情况。

Memcached的工作方式

Memcached是传统的网络服务程序，如果启动的时候使用了-d参数，它会以守护进程的方式执行。创建守护进程由daemon.c完成，这个程序只有一个daemon函数，这个函数很简单

这个函数 fork 了整个进程之后，父进程就退出，接着重新定位 STDIN 、 STDOUT 、 STDERR 到空设备， daemon 就建立成功了。

Memcached 本身的启动过程，在 memcached.c 的 main 函数中顺序如下：

1 、调用 settings_init() 设定初始化参数
2 、从启动命令中读取参数来设置 setting 值
3 、设定 LIMIT 参数
4 、开始网络 socket 监听（如果非 socketpath 存在）（ 1.2 之后支持 UDP 方式）
5 、检查用户身份（ Memcached 不允许 root 身份启动）
6 、如果有 socketpath 存在，开启 UNIX 本地连接（Sock 管道）
7 、如果以 -d 方式启动，创建守护进程（如上调用 daemon 函数）
8 、初始化 item 、 event 、状态信息、 hash 、连接、 slab
9 、如设置中 managed 生效，创建 bucket 数组
10 、检查是否需要锁定内存页
11 、初始化信号、连接、删除队列
12 、如果 daemon 方式，处理进程 ID
13 、event 开始，启动过程结束， main 函数进入循环。

Memcached 使用一套自定义的协议完成数据交换，它的 protocol 文档可以参考： http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/doc/protocol.txt

Memcached的内存管理方式

Memcached有一个很有特色的内存管理方式，为了提高效率，它使用预申请和分组的方式管理内存空间，而并不是每次需要写入数据的时候去malloc，删除数据的时候free一个指针。Memcached使用slab->chunk的组织方式管理内存。

Slab可以理解为一个内存块，一个slab是memcached一次申请内存的最小单位，在memcached中，一个slab的大小默认为1048576字节（1MB），所以memcached都是整MB的使用内存。每一个slab被划分为若干个chunk，每个chunk里保存一个item，每个item同时包含了item结构体、key和value（注意在memcached中的value是只有字符串的）。slab按照自己的id分别组成链表，这些链表又按id挂在一个slabclass数组上，整个结构看起来有点像二维数组。slabclass的长度在1.1中是21，在1.2中是200。

slab有一个初始chunk大小，1.1中是1字节，1.2中是80字节，1.2中有一个factor值，默认为1.25

在1.1中，chunk大小表示为初始大小*2^n，n为classid，即：id为0的slab，每chunk大小1字节，id为1的slab，每chunk大小2字节，id为2的slab，每chunk大小4字节……id为20的slab，每chunk大小为1MB，就是说id为20的slab里只有一个chunk：

void slabs_init(size_t limit) {    int i;    int size=1;    mem_limit = limit;    for(i=0; i<=POWER_LARGEST; i++, size*=2) {        slabclass[i].size = size;        slabclass[i].perslab = POWER_BLOCK / size;        slabclass[i].slots = 0;        slabclass[i].sl_curr = slabclass[i].sl_total = slabclass[i].slabs = 0;        slabclass[i].end_page_ptr = 0;        slabclass[i].end_page_free = 0;        slabclass[i].slab_list = 0;        slabclass[i].list_size = 0;        slabclass[i].killing = 0;    }    /* 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 = atol(getenv("T_MEMD_INITIAL_MALLOC"));        }    }    /* pre-allocate slabs by default, unless the environment variable       for testing is set to something non-zero */    {        char *pre_alloc = getenv("T_MEMD_SLABS_ALLOC");        if (!pre_alloc || atoi(pre_alloc)) {            slabs_preallocate(limit / POWER_BLOCK);        }    }}

在1.2中，chunk大小表示为初始大小*f^n，f为factor，在memcached.c中定义，n为classid，同时，201个头不是全部都要初始化的，因为factor可变，初始化只循环到计算出的大小达到slab大小的一半为止，而且它是从id1开始的，即：id为1的slab，每chunk大小80字节，id为2的slab，每chunk大小80*f，id为3的slab，每chunk大小80*f^2，初始化大小有一个修正值CHUNK_ALIGN_BYTES，用来保证n-byte排列 （保证结果是CHUNK_ALIGN_BYTES的整倍数）。这样，在标准情况下，memcached1.2会初始化到id40，这个slab中每个chunk大小为504692，每个slab中有两个chunk。最后，slab_init函数会在最后补足一个id41，它是整块的，也就是这个slab中只有一个1MB大的chunk：

Memcached的NewHash算法

Memcached的item保存基于一个大的hash表，它的实际地址就是slab中的chunk偏移，但是它的定位是依靠对key做hash的结果，在primary_hashtable中找到的。在assoc.c和items.c中定义了所有的hash和item操作。

Memcached使用了一个叫做NewHash的算法，它的效果很好，效率也很高。1.1和1.2的NewHash有一些不同，主要的实现方式还是一样的，1.2的hash函数是经过整理优化的，适应性更好一些。

NewHash的原型参考：http://burtleburtle.net/bob/hash/evahash.html

为了变换方便，定义了u4和u1两种数据类型，u4就是无符号的长整形，u1就是无符号char(0-255)。

具体代码可以参考1.1和1.2源码包。

注意这里的hashtable长度，1.1和1.2也是有区别的，1.1中定义了HASHPOWER常量为20，hashtable表长为hashsize(HASHPOWER)，就是4MB（hashsize是一个宏，表示1右移n位），1.2中是变量16，即hashtable表长65536：

typedef  unsigned long  int  ub4;   /* unsigned 4-byte quantities */typedef  unsigned       char ub1;   /* unsigned 1-byte quantities */#define hashsize(n) ((ub4)1<<(n))#define hashmask(n) (hashsize(n)-1)

在assoc_init()中，会对primary_hashtable做初始化，对应的hash操作包括：assoc_find()、assoc_expand()、assoc_move_next_bucket()、assoc_insert()、assoc_delete()，对应于item的读写操作。其中assoc_find()是根据key和key长寻找对应的item地址的函数（注意在C中，很多时候都是同时直接传入字符串和字符串长度，而不是在函数内部做strlen），返回的是item结构指针，它的数据地址在slab中的某个chunk上。

items.c是数据项的操作程序，每一个完整的item包括几个部分，在item_make_header()中定义为：

key：键
nkey：键长
flags：用户定义的flag（其实这个flag在memcached中没有启用）
nbytes：值长（包括换行符号\r\n）
suffix：后缀Buffer
nsuffix：后缀长

一个完整的item长度是键长＋值长＋后缀长＋item结构大小（32字节），item操作就是根据这个长度来计算slab的classid的。

hashtable中的每一个桶上挂着一个双链表，item_init()的时候已经初始化了heads、tails、sizes三个数组为0，这三个数组的大小都为常量LARGEST_ID（默认为255，这个值需要配合factor来修改），在每次item_assoc()的时候，它会首先尝试从slab中获取一块空闲的chunk，如果没有可用的chunk，会在链表中扫描50次，以得到一个被LRU踢掉的item，将它unlink，然后将需要插入的item插入链表中。

注意item的refcount成员。item被unlink之后只是从链表上摘掉，不是立刻就被free的，只是将它放到删除队列中（item_unlink_q()函数）。

item对应一些读写操作，包括remove、update、replace，当然最重要的就是alloc操作。

item还有一个特性就是它有过期时间，这是memcached的一个很有用的特性，很多应用都是依赖于memcached的item过期，比如session存储、操作锁等。item_flush_expired()函数就是扫描表中的item，对过期的item执行unlink操作，当然这只是一个回收动作，实际上在get的时候还要进行时间判断：

/* expires items that are more recent than the oldest_live setting. */void item_flush_expired() {    int i;      item *iter, *next;    if (! settings.oldest_live)        return;     for (i = 0; i < LARGEST_ID; i++) {        /* The LRU is sorted in decreasing time order, and an item's timestamp         * is never newer than its last access time, so we only need to walk         * back until we hit an item older than the oldest_live time.         * The oldest_live checking will auto-expire the remaining items.         */        for (iter = heads[i]; iter != NULL; iter = next) {             if (iter->time >= settings.oldest_live) {                next = iter->next;                if ((iter->it_flags & ITEM_SLABBED) == 0) {                     item_unlink(iter);                }                   } else {                /* We've hit the first old item. Continue to the next queue. */                break;              }               }           }}

Memcached客户端

Memcached是一个服务程序，使用的时候可以根据它的协议，连接到memcached服务器上，发送命令给服务进程，就可以操作上面的数据。为了方便使用，memcached有很多个客户端程序可以使用，对应于各种语言，有各种语言的客户端。基于C语言的有libmemcache、APR_Memcache；基于Perl的有Cache::Memcached；另外还有Python、Ruby、Java、C#等语言的支持。PHP的客户端是最多的，不光有mcache和PECL memcache两个扩展，还有大把的由PHP编写的封装类，下面介绍一下在PHP中使用memcached的方法：

mcache扩展是基于libmemcache再封装的。libmemcache一直没有发布stable版本，目前版本是1.4.0-rc2，可以在这里找到。libmemcache有一个很不好的特性，就是会向stderr写很多错误信息，一般的，作为lib使用的时候，stderr一般都会被定向到其它地方，比如Apache的错误日志，而且libmemcache会自杀，可能会导致异常，不过它的性能还是很好的。

mcache扩展最后更新到1.2.0-beta10，作者大概是离职了，不光停止更新，连网站也打不开了（~_~），只能到其它地方去获取这个不负责的扩展了。解压后安装方法如常：phpize & configure & make & make install，一定要先安装libmemcache。使用这个扩展很简单：

<?php$mc = memcache();	// 创建一个memcache连接对象，注意这里不是用new！$mc->add_server('localhost', 11211);	// 添加一个服务进程$mc->add_server('localhost', 11212);	// 添加第二个服务进程$mc->set('key1', 'Hello');	// 写入key1 => Hello$mc->set('key2', 'World', 10);	// 写入key2 => World，10秒过期$mc->set('arr1', array('Hello', 'World'));	// 写入一个数组$key1 = $mc->get('key1');	// 获取'key1'的值，赋给$key1$key2 = $mc->get('key2');	// 获取'key2'的值，赋给$key2，如果超过10秒，就取不到了$arr1 = $mc->get('arr1');	// 获取'arr1'数组$mc->delete('arr1');	// 删除'arr1'$mc->flush_all();	// 删掉所有数据$stats = $mc->stats();	// 获取服务器信息var_dump($stats);	// 服务器信息是一个数组?>

这个扩展的好处是可以很方便地实现分布式存储和负载均衡，因为它可以添加多个服务地址，数据在保存的时候是会根据hash结果定位到某台服务器上的，这也是libmemcache的特性。libmemcache支持集中hash方式，包括CRC32、ELF和Perl hash。

PECL memcache是PECL发布的扩展，目前最新版本是2.1.0，可以在pecl网站得到。memcache扩展的使用方法可以在新一些的PHP手册中找到，它和mcache很像，真的很像：

<?php$memcache = new Memcache;$memcache->connect('localhost', 11211) or die ("Could not connect");$version = $memcache->getVersion();echo "Server's version: ".$version."\n";$tmp_object = new stdClass;$tmp_object->str_attr = 'test';$tmp_object->int_attr = 123;$memcache->set('key', $tmp_object, false, 10) or die ("Failed to save data at the server");echo "Store data in the cache (data will expire in 10 seconds)\n";$get_result = $memcache->get('key');echo "Data from the cache:\n";var_dump($get_result);?>

这个扩展是使用php的stream直接连接memcached服务器并通过socket发送命令的。它不像libmemcache那样完善，也不支持add_server这种分布操作，但是因为它不依赖其它的外界程序，兼容性要好一些，也比较稳定。至于效率，差别不是很大。

另外，有很多的PHP class可以使用，比如MemcacheClient.inc.php，phpclasses.org上可以找到很多，一般都是对perl client API的再封装，使用方式很像

从C client来说，APR_Memcache是一个很成熟很稳定的client程序，支持线程锁和原子级操作，保证运行的稳定性。不过它是基于APR的（APR将在最后一节介绍），没有libmemcache的应用范围广，目前也没有很多基于它开发的程序，现有的多是一些Apache Module，因为它不能脱离APR环境运行。但是APR倒是可以脱离Apache单独安装的，在APR网站上可以下载APR和APR-util，不需要有Apache，可以直接安装，而且它是跨平台的。

BSM_Memcache是我在BS.Magic项目中开发的一个基于APR_Memcache的PHP扩展，说起来有点拗口，至少它把APR扯进了PHP扩展中。这个程序很简单，也没做太多的功能，只是一种形式的尝试，它支持服务器分组。

和mcache扩展支持多服务器分布存储不同，BSM_Memcache支持多组服务器，每一组内的服务器还是按照hash方式来分布保存数据，但是两个组中保存的数据是一样的，也就是实现了热备，它不会因为一台服务器发生单点故障导致数据无法获取，除非所有的服务器组都损坏（例如机房停电）。当然实现这个功能的代价就是性能上的牺牲，在每次添加删除数据的时候都要扫描所有的组，在get数据的时候会随机选择一组服务器开始轮询，一直到找到数据为止，正常情况下一次就可以获取得到。

BSM_Memcache只支持这几个函数：

zend_function_entry bsm_memcache_functions[] ={    PHP_FE(mc_get,          NULL)    PHP_FE(mc_set,          NULL)    PHP_FE(mc_del,          NULL)    PHP_FE(mc_add_group,    NULL)    PHP_FE(mc_add_server,   NULL)    PHP_FE(mc_shutdown,     NULL)    {NULL, NULL, NULL}};

mc_add_group函数返回一个整形（其实应该是一个object，我偷懒了~_~）作为组ID，mc_add_server的时候要提供两个参数，一个是组ID，一个是服务器地址（ADDR:PORT）。

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