memcached缓存技术

memcached是什么？

memcached 是以LiveJournal 旗下Danga Interactive 公司的Brad Fitzpatric 为首开发的一款软件。现在已成为 mixi、 hatena、 Facebook、 Vox、LiveJournal等众多服务中提高Web应用扩展性的重要因素。

许多Web应用都将数据保存到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RDBMS的负担加重、数据库响应恶化、网站显示延迟等重大影响。

这时就该memcached大显身手了。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，减少数据库访问次数，以提高动态Web应用的速度、提高可扩展性。
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图1 一般情况下memcached的用途
memcached的特征

memcached作为高速运行的分布式缓存服务器，具有以下的特点。

    * 协议简单
    * 基于libevent的事件处理
    * 内置内存存储方式
    * memcached不互相通信的分布式

协议简单

memcached的服务器客户端通信并不使用复杂的XML等格式，而使用简单的基于文本行的协议。因此，通过telnet 也能在memcached上保存数据、取得数据。下面是例子。

$ telnet localhost 11211
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.localdomain (127.0.0.1).
Escape character is '^]'.
set foo 0 0 3     （保存命令）
bar               （数据）
STORED            （结果）
get foo           （取得命令）
VALUE foo 0 3     （数据）
bar               （数据）

协议文档位于memcached的源代码内，也可以参考以下的URL。

    * http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/doc/protocol.txt

基于libevent的事件处理

libevent是个程序库，它将Linux的epoll、BSD类操作系统的kqueue等事件处理功能封装成统一的接口。即使对服务器的连接数增加，也能发挥O(1)的性能。 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。关于事件处理这里就不再详细介绍，可以参考Dan Kegel的The C10K Problem。

    * libevent: http://www.monkey.org/~provos/libevent/
    * The C10K Problem: http://www.kegel.com/c10k.html

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，内容容量达到指定值之后，就基于LRU(Least Recently Used)算法自动删除不使用的缓存。 memcached本身是为缓存而设计的服务器，因此并没有过多考虑数据的永久性问题。关于内存存储的详细信息，本连载的第二讲以后前坂会进行介绍，请届时参考。
memcached不互相通信的分布式

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。那么，怎样进行分布式呢？这完全取决于客户端的实现。本连载也将介绍memcached的分布式。
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图2 memcached的分布式

接下来简单介绍一下memcached的使用方法。
安装memcached

memcached的安装比较简单，这里稍加说明。

memcached支持许多平台。

    * Linux
    * FreeBSD
    * Solaris (memcached 1.2.5以上版本)
    * Mac OS X

另外也能安装在Windows上。这里使用Fedora Core 8进行说明。
memcached的安装

运行memcached需要本文开头介绍的libevent库。Fedora 8中有现成的rpm包，通过yum命令安装即可。

$ sudo yum install libevent libevent-devel

memcached的源代码可以从memcached网站上下载。本文执笔时的最新版本为1.2.5。 Fedora 8虽然也包含了memcached的rpm，但版本比较老。因为源代码安装并不困难，这里就不使用rpm了。

    * 下载memcached：http://www.danga.com/memcached/download.bml

memcached安装与一般应用程序相同，configure、make、make install就行了。

$ wget http://www.danga.com/memcached/dist/memcached-1.2.5.tar.gz
$ tar zxf memcached-1.2.5.tar.gz
$ cd memcached-1.2.5
$ ./configure
$ make
$ sudo make install

默认情况下memcached安装到/usr/local/bin下。
memcached的启动

从终端输入以下命令，启动memcached。

$ /usr/local/bin/memcached -p 11211 -m 64m -vv
slab class   1: chunk size     88 perslab 11915
slab class   2: chunk size    112 perslab  9362
slab class   3: chunk size    144 perslab  7281
中间省略
slab class  38: chunk size 391224 perslab     2
slab class  39: chunk size 489032 perslab     2
<23 server listening
<24 send buffer was 110592, now 268435456
<24 server listening (udp)
<24 server listening (udp)
<24 server listening (udp)
<24 server listening (udp)

这里显示了调试信息。这样就在前台启动了memcached，监听TCP端口11211 最大内存使用量为64M。调试信息的内容大部分是关于存储的信息，下次连载时具体说明。

作为daemon后台启动时，只需

$ /usr/local/bin/memcached -p 11211 -m 64m -d

这里使用的memcached启动选项的内容如下。
选项 说明
-p 使用的TCP端口。默认为11211
-m 最大内存大小。默认为64M
-vv 用very vrebose模式启动，调试信息和错误输出到控制台
-d 作为daemon在后台启动

上面四个是常用的启动选项，其他还有很多，通过

$ /usr/local/bin/memcached -h

命令可以显示。许多选项可以改变memcached的各种行为，推荐读一读。
用客户端连接

许多语言都实现了连接memcached的客户端，其中以Perl、PHP为主。仅仅memcached网站上列出的语言就有

    * Perl
    * PHP
    * Python
    * Ruby
    * C#
    * C/C++
    * Lua

等等。

    * memcached客户端API：http://www.danga.com/memcached/apis.bml

这里介绍通过mixi正在使用的Perl库链接memcached的方法。
使用Cache::Memcached

Perl的memcached客户端有

    * Cache::Memcached
    * Cache::Memcached::Fast
    * Cache::Memcached::libmemcached

等几个CPAN模块。这里介绍的Cache::Memcached是memcached的作者Brad Fitzpatric的作品，应该算是memcached的客户端中应用最为广泛的模块了。

    * Cache::Memcached - search.cpan.org: http://search.cpan.org/dist/Cache-Memcached/

使用Cache::Memcached连接memcached

下面的源代码为通过Cache::Memcached连接刚才启动的memcached的例子。

#!/usr/bin/perl

use strict;
use warnings;
use Cache::Memcached;

my $key = "foo";
my $value = "bar";
my $expires = 3600; # 1 hour
my $memcached = Cache::Memcached->new({
    servers => ["127.0.0.1:11211"],
    compress_threshold => 10_000
});

$memcached->add($key, $value, $expires);
my $ret = $memcached->get($key);
print "$ret\n";

在这里，为Cache::Memcached指定了memcached服务器的IP地址和一个选项，以生成实例。 Cache::Memcached常用的选项如下所示。
选项 说明
servers 用数组指定memcached服务器和端口
compress_threshold 数据压缩时使用的值
namespace 指定添加到键的前缀

另外，Cache::Memcached通过Storable模块可以将Perl的复杂数据序列化之后再保存，因此散列、数组、对象等都可以直接保存到memcached中。
保存数据

向memcached保存数据的方法有

    * add
    * replace
    * set

它们的使用方法都相同：

my $add = $memcached->add( '键', '值', '期限' );
my $replace = $memcached->replace( '键', '值', '期限' );
my $set = $memcached->set( '键', '值', '期限' );

向memcached保存数据时可以指定期限(秒)。不指定期限时，memcached按照LRU算法保存数据。这三个方法的区别如下：
选项 说明
add 仅当存储空间中不存在键相同的数据时才保存
replace 仅当存储空间中存在键相同的数据时才保存
set 与add和replace不同，无论何时都保存
获取数据

获取数据可以使用get和get_multi方法。

my $val = $memcached->get('键');
my $val = $memcached->get_multi('键1', '键2', '键3', '键4', '键5');

一次取得多条数据时使用get_multi。get_multi可以非同步地同时取得多个键值，其速度要比循环调用get快数十倍。
删除数据

删除数据使用delete方法，不过它有个独特的功能。

$memcached->delete('键', '阻塞时间(秒)');

删除第一个参数指定的键的数据。第二个参数指定一个时间值，可以禁止使用同样的键保存新数据。此功能可以用于防止缓存数据的不完整。但是要注意，set函数忽视该阻塞，照常保存数据
增一和减一操作

可以将memcached上特定的键值作为计数器使用。

my $ret = $memcached->incr('键');
$memcached->add('键', 0) unless defined $ret;

增一和减一是原子操作，但未设置初始值时，不会自动赋成0。因此，应当进行错误检查，必要时加入初始化操作。而且，服务器端也不会对超过2 32时的行为进行检查。
总结

这次简单介绍了memcached，以及它的安装方法、Perl客户端Cache::Memcached的用法。只要知道，memcached的使用方法十分简单就足够了。

下次由前坂来说明memcached的内部结构。了解memcached的内部构造，就能知道如何使用memcached才能使Web应用的速度更上一