memcached源码剖析系列之内存存储机制（三）

wlyyb521

在memcached内存存储机制剖析的前两篇文章中，已分析过memcached的内存管理器初始化机制及slab的管理分配机制。接下来我们就来探讨下对象item的分配管理及LRU机制。

1 item关键数据结构

（1）item结构体原型

typedef struct _stritem {
struct _stritem *next;
struct _stritem *prev;
struct _stritem *h_next;    /* hash chain next */
rel_time_t      time;       /* least recent access */
rel_time_t      exptime;    /* expire time */
int             nbytes;     /* size of data */
unsigned short  refcount;
uint8_t         nsuffix;    /* length of flags-and-length string */
uint8_t         it_flags;   /* ITEM_* above */
uint8_t         slabs_clsid;/* which slab class we're in */
uint8_t         nkey;       /* key length, w/terminating null and padding */
/* this odd type prevents type-punning issues when we do
* the little shuffle to save space when not using CAS. */
union {
uint64_t cas;
char end;
} data[];
/* if it_flags & ITEM_CAS we have 8 bytes CAS */
/* then null-terminated key */
/* then " flags length\r\n" (no terminating null) */
/* then data with terminating \r\n (no terminating null; it's binary!) */
} item;

　　（2）全局数组

static item *heads[LARGEST_ID];

保存各个slab class所对应的item链表的表头。

static item *tails[LARGEST_ID];

保存各个slab class所对应的item链表的表尾。

static unsigned int sizes[LARGEST_ID];

保存各个slab class所对应的items数目。

2 item分配机制的函数实现

（1）LRU机制

　　在前面的分析中已介绍过，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。Memcached采用的是Lazy Expiration,即memcached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。这种技术被称为lazy（惰性）expiration。因此，memcached不会在过期监视上耗费CPU时间。

　　memcached会优先使用已超时的记录的空间，但即使如此，也会发生追加新记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，即删除“最近最少使用”的记录。

（2）函数实现

Item的分配在函数do_item_alloc()中实现，函数原型为：

item *do_item_alloc(char *key, const size_t nkey, const int flags, const rel_time_t exptime, const int nbytes)；

参数含义：

* key       - The key

* nkey     - The length of the key

* flags     - key flags

*exptime  –item expired time

* nbytes  - Number of bytes to hold value and addition CRLF terminator

函数的具体实现如下，由于do_item_alloc()太长，这里只贴出部分关键代码：

item *do_item_alloc(char *key, const size_t nkey, const int flags, const rel_time_t exptime, const int nbytes) {
uint8_t nsuffix;
item *it = NULL;
char suffix[40];
size_t ntotal = item_make_header(nkey + 1, flags, nbytes, suffix, &nsuffix);
//settings.use_cas:?cas"是一个存储检查操作，用来检查脏数据的存操作。
if (settings.use_cas) {
ntotal += sizeof(uint64_t);
}
unsigned int id = slabs_clsid(ntotal);//获得slabclass索引值
if (id == 0)
return 0;
/* do a quick check if we have any expired items in the tail.. */
int tries = 50;
item *search;
//在item链表中遍历过期item
for (search = tails[id];
tries > 0 && search != NULL;
tries--, search=search->prev) {
if (search->refcount == 0 &&
(search->exptime != 0 && search->exptime < current_time)) {
…….
}
}
//没有过期数据时,采用LRU算法，淘汰老数据
if (it == NULL && (it = slabs_alloc(ntotal, id)) == NULL) {
/*
** Could not find an expired item at the tail, and memory allocation
** failed. Try to evict some items!
*/
tries = 50;
/* If requested to not push old items out of cache when memory runs out,
* we're out of luck at this point...
*/
// 当内存存满时，是否淘汰老数据。默认为真。可用-M修改为否。此时内容耗尽时，新插入数据时将返回失败。

　　……
it = slabs_alloc(ntotal, id); //返回新分配的slab的第一个item
//item分配失败,做最后一次努力
if (it == 0) {
itemstats[id].outofmemory++;
/* Last ditch effort. There is a very rare bug which causes
* refcount leaks. We've fixed most of them, but it still happens,
* and it may happen in the future.
* We can reasonably assume no item can stay locked for more than
* three hours, so if we find one in the tail which is that old,
* free it anyway.
*/
tries = 50;
for (search = tails[id]; tries > 0 && search != NULL; tries--, search=search->prev) {
//search->time:最近一次访问的时间
if (search->refcount != 0 && search->time + TAIL_REPAIR_TIME < current_time) {
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……
}
it = slabs_alloc(ntotal, id);
if (it == 0) {
return NULL;
}
}
}
　　　　…….
it->next = it->prev = it->h_next = 0;
it->refcount = 1;     /* the caller will have a reference */
DEBUG_REFCNT(it, '*');
it->it_flags = settings.use_cas ? ITEM_CAS : 0;
it->nkey = nkey;
it->nbytes = nbytes;
//零长数组

memcpy(ITEM_key(it), key, nkey);
it->exptime = exptime;
memcpy(ITEM_suffix(it), suffix, (size_t)nsuffix);
it->nsuffix = nsuffix;
return it;
}
　　该函数首先调用item_make_header()函数计算出该item的总长度，如果脏数据检查标志设置的话，添加sizeof(uint64_t)的长度，以便从slabclass获得索引值（使用slabs_clsid()函数返回）。接着从后往前遍历item链表，注意全局数组heads[LARGEST_ID]和tails[LARGEST_ID]保存了slabclass对应Id的链表头和表尾。

　　从源码中我们可以看出，有三次遍历循环，每次最大遍历次数为50（tries表示），//在item链表中遍历过期item，如果某节点的item设置了过期时间并且该item已过期，则回收该item，，调用do_item_unlink()把它从链表中取出来。

　　若向前查找50次都没有找到过期的item，则调用slabs_alloc()分配内存，如果alloc失败，接着从链表尾开始向前找出一些没有人用的refcount=0的item，调用do_item_unlink()，再用slabs_alloc()分配内存，如果还失败，只能从链表中删除一些正在引用但过期时间小于current_time – CURRENT_REPAIR_TIME的节点，这个尝试又从尾向前尝试50次，OK，再做最后一次尝试再去slabs_alloc()分配内存，如果这次还是失败，那就彻底放弃了，内存分配失败。

　　Memcached的内存管理方式是非常精巧和高效的，它很大程度上减少了直接alloc系统内存的次数，降低函数开销和内存碎片产生几率，虽然这种方式会造成一些冗余浪费，但是这种浪费在大型系统应用中是微不足道的。