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memcached完全剖析–1. memcached的基础

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我是mixi株式会社开发部系统运营组的长野。 日常负责程序的运营。从今天开始,将分几次针对最近在Web应用的可扩展性领域 的热门话题memcached,与我公司开发部研究开发组的前坂一起, 说明其内部结构和使用。

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。
memcached-0001-01
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。

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$ 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。
memcached-0001-02
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。

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$ 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。

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$ 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。

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$ /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

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$ /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。

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#!/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:

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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。

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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getmulti。getmulti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。

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$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。

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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 SUP(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应用的速度更上一层楼。 欢迎继续阅读下一章。

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