Memcached的原理与应用(未完)

ukula

　　1.Memcached的介绍
　　Memcached是一套开源、分布式、高性能的内存对象缓存系统，通常用于在减少web应用对数据库的访问而提升整体性能。Memcached是基于内存的"key-value（键值)"的缓存服务器，并且key是经过HASH编码的，使得其查找速度非常迅速，不会因为数据过多而出现查询过慢的问题。
　　Memcached在多数场景下作为数据库前端的公共cache使用，因为它比数据库少了很多SQL的解析、磁盘操作等开销，而且使用内存来管理数据，可以提供比数据库更好的性能。除此之外，Memcached也可以作为服务器之间数据共享的存储媒介。
  Memcached不支持数据的持久化，也就是当系统宕机，数据全部丢失。而且，Memcached本身是一个客户端分布式缓存方案，它的"分布式"功能依赖于客户端的算法。
　　注：key-value指得是，一个是关键字(查找的依据)，一个是value(所要的值)，每个key对应一个value。
　　注：只要是可序列化的数据，Memcached就可以缓存。
　　
　　2.Memcached的设计思想

　　Memcached仅仅是一个缓存服务器，为程序员提供缓存功能，其设计哲学思想主要反映在如下：
　　(1) 简单key/value缓存：服务器不关心数据本身的意义及结构，只要是可序列化数据即可缓存。存储项由"键、过期时间、可选的标识及数据"四个部分组成；
　　(2) 功能的实现一半依赖于客户端，一办依赖于服务器端：
　　客户端负责发送存储项至服务器端、从服务端获取数据、以及当无法连接至服务器时采取相应的动作；
　　服务器端负责接收来自客户端的数据并将其缓存到内存中，而且需要保证数据的有效性(管理过期超时项)。

　　(3) 服务器的分布式特征：各个Memcached服务器之间互相不通信，都是独立的，不共享数据；
　　(4) O(1)的执行效率：由于其的key基于HASH编码，并且数据存放于内存中，所以其速度是O(1)级的(在5条数据中查找1条数据的速度和在100条数据中查找1条的速度是一样的)；

　　(5) 懒惰模式清理过期的数据：默认情况下，Memcached是一个LRU缓存，同时，它按事先规定的时长清理过期的数据；但事实上，Memcached不会删除任何已缓存数据，只不过在数据过期时不在对客户端所见；而且，Memcached也不会真正的按期限去清理缓存，只有当get命令命中目标时才检查该数据是否过期。
　　

　　3.Memcached的C/S交互
　　Memcached提供了为数不多的几个命令来实现客户端/服务器端的交互，C/S基于memcached的协议通信：
　　(1) 存储类命令：set(设置)，add(新增)，replace(替换)，append(缓存内容后追加)，prepend(缓存内容前追加)
　　(2) 获取数据类命令：get(获取)，delete(删除)，incr/decr(数字+1，例如微博转发数)
　　(3) 统计类命令：stats(整体状态信息)，stats itmes(itmes信息)，stats slabs(slbas信息)，stats sizes(slbas大小信息)
　　(4) 清理命令：flush_all
　　注：Memached协议具有两种通信模式：文本格式(默认)和二进制格式。
　　

　　4.Memcached的内存分配
　　Linux是基于malloc()申请内存，free()释放内存，由于memcached基于内存进行数据进行管理，通常其缓存数据的频率比较大，所以会导致memcached会频繁向Linux(Kernel)发起申请、释放的请求，而Linux的malloc()和free()的性能是低效的，为了解决这个问题，memached基于slab allocator机制对数据进行申请、释放。
　　在slab allocator的机制上，memcached启动后申请一段内存页面（Page，内存空间;一个页面默认为1MB），并使用slab allocator对内存页面进行"格式化"，将其格式化成为特定大小的N个chunk(区块，缓存数据的空间；例如格式化10个1k的区块，5个2k的区块；同类的区块称作slab class)。从而避免内存的频繁释放、回收，但是由于一个数据只能存放于一个chunk中，此机制可能会浪费内存空间(当你有1k、2k、4k三种chunk时，需要存储一个3k的数据，此时只能存储在4k的chunk中，也就浪费了1k的空间)。
　　slab allocator的chunk分配上，需要指定增长因子，例如从1k开始，增长因子如果2，则每次递归2k。增长因子不能过大，否则会出现严重的空间浪费。
　　

　　5.Memcached的分布式：
　　Memcached的分布式是由客户端实现的，也就是当应用到Memcached的分布式缓存(多台memcached服务器)时，为了保证缓存的命中率，我们需要让客户端进行计算，使其可以将请求分配到已经缓存了该资源的Memcached上(存储也是同样的过程)。一般常用的有两种算法，一种是根据余数来计算分布，另一种是根据一致性HASH算法来计算分布。余数算法先求得键的整数散列值，再除以服务器台数，根据余数来选择服务器。一致性HASH先算出Memcached服务器节点的散列值，并将其分散到0到2^32次方的圆上，然后用同样的方法算出键的值并映射到圆上，最后从数据映射到的位置开始顺时针查找，以找到的第一台服务器为准。

　　

　　6.Memcached的并发模型：
　　Memcached会涉及到并发请求，所以其依赖于libevent库。libevent库就包含了常用的IO模型，epoll，poll，select。新版本一般为单进程响应多请求。
　　

　　7.Memcached的客户端(扩展库)：
　　程序员在开发时，调用memcached的API，memcached的功能才能生效。介于调用API的复杂性，大多数的程序开发语言都提供了已经打包好的扩展库，使得程序员在使用时只需要调用库功能即可：
　　(1) memcached：php连接memcached服务器可以使用的扩展库；
　　(2) memcache：php连接memcached服务器可以使用的另一个扩展库，少用；
　　(3) libmemcached：C连接memcached的扩展库
　　

　　8.Memcached的安装及配置：
　　8.1 memcached的安装：
[root@localhost ~]# yum install -y memcached　　8.2 memcached的常用组件：
[root@localhost ~]# rpm -ql memcached
/etc/rc.d/init.d/memcached  #memcached启动脚本
/etc/sysconfig/memcached    #memcached启动脚本配置文件
/usr/bin/memcached          #memcahed二进制程序，服务器端软件
/usr/bin/memcached-tool     #memcached工具
.....　　8.3 memcached二进制程序的常用选项及参数：
-l   #监听的IP地址
-d        #以独立守护进程模式运行，默认运行在前台；Linux有三种进程：超级守护进程(负责多个进程的管理，xinetd)、独立守护进程(自身管理的进程)、瞬时守护进程(超级守护进程管理的进程)
-u   #指定程序运行者的身份
-m     #定义memcached可以使用的内存空间，默认是64MB
-c     #最大并发连接
-p     #监听的TCP端口，默认为11211
-U     #监听的UDP端口，默认为11211
-M        #指定当内存耗尽时，memcached不清空缓存，而返回错误信息
-n     #指定最小的chunk大小
-f    #指定chunk的增长因子
-t   #指定memcached的工作线程数，默认为4
-B    #指定memcached协议类型，默认为文本模式；　　8.4 启动Memcached程序：
[root@localhost ~]# memcached -u memcached -d
[root@localhost ~]# ss -tunl|grep "11211"
udp    UNCONN     0      0                      *:11211                 *:*     
udp    UNCONN     0      0                     :::11211                :::*     
tcp    LISTEN     0      128                   :::11211                :::*     
tcp    LISTEN     0      128                    *:11211                 *:*　　8.5 测试连接到Memcached服务器并写入一条数据：

[root@localhost ~]# telnet localhost 11211
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
add testkey 0 60 5   #add的格式为 "add key(键) flag(标识) timeout(超时时间) length(长度)"
12345   #value(key的值)
STORED  #已经存储的提示
get testkey  #获取testkey这个键的信息及值
VALUE testkey 0 5  #键的信息
12345   #键的值
END  #结束符　　8.6 PHP安装memcached扩展：
　　前面说过，要想使用Memcached的功能，就需要开发人员在编写程序的时候调用memcached的API，不过，大多数的程序都已经提供了Memcached的扩展库，这样只需要调用该库的功能即可。同样的，PHP也为Memcached提供了扩展库，这里以memcached这个扩展库(注意：memcached的m是小写的，这个库的名字就叫做memcached)为例：